1、选修 3-4 第十三章 光学考 情 分 析考纲预览1.光的折射定律2折射率3全反射、光导纤维4光的干涉、衍射和偏振现象实验一：测定玻璃的折射率实验二：用双缝干涉测光的波长热点提示1.光的折射、全反射是高考命题的重点和热点在近两年的高考题中，题型多为非选择题，有填空题、计算题、作图题等2光的本性的考查常结合具体的技术应用来命题3本章两个实验的考查概率也很高第一讲 光的折射 全反射考点知识诊断 热点题型探究 难点能力突破 课后作业 考点知识诊断知识清单一、光的直线传播1光源：能自行发光的物体，如电灯、蜡烛、太阳等光源是把其他形式的能转化为光能的装置2介质：光能够在其中传播的物质，如空气、玻璃等3光
2、线：用来表示光束传播方向的直线4光的直线传播(1)光在同一种中是沿直线传播的小孔成像、影子、日食、月食等光现象都是光沿的结果人眼是根据两只眼对物体的视角来确定物体的位置的(2)光的传播速度光在不同介质中的传播速度不同；光在真空中的传播速度最大，其大小约为 c3.0108m/s；在其他介质中光的传播速度 v3.0108m/s.1 均匀介质2 直线传播二、光的反射1概念：光线入射到两种介质的界面上时，光的传播方向发生改变，一部分光返回原来的介质中的现象，叫做光的反射2光的反射定律(1)反射光线和入射光线在内，反射光线和入射光线分居法线两侧(2)反射角等于3 同一平面4 入射角3分类：反射可分为漫反
3、射和镜面反射使平行入射的光线沿不同方向反射出去叫；使平行入射的光线沿同一方向平行反射出去叫想一想 漫反射遵循光的反射定律吗？5 漫反射6 镜面反射4平面镜成像平面镜是利用光的反射来控制光路和成像的光学器件(1)平面镜对光束的作用：平面镜反射光束时，只改变光束的，不改变光束的性质即入射光束分别为平行、发射和会聚光束，反射后的光束仍分别为平行、发散和会聚光束，且发射和会聚的程度不变光线入射方向保持不变时，平面镜镜面绕过入射点且垂直入射光线的轴转过 角，反射光线将转过 2 角这就是平面镜的“放大”作用7 传播方向8 经平面镜(2)平面镜成像特点：成与物等大的正立的，物像关于镜面对称(3)平面镜成像的
4、作图方法反射定律法：从物点作任意两条入射光线射向平面镜，由反射定律作出其反射光线，反射光线的反向延长线的交点即为(虚)像点；对称法：先根据平面镜成像的对称性，作出虚像点，再补画入射光线和反射光线9 虚像三、光的折射1光的折射光由一种介质射入另一种介质时，在界面上将发生光路改变的现象叫光的折射折射不仅可以改变光路，还可以改变光束的性质2光的折射定律内容：折射光线跟入射光线和处在同一平面内，折射光线和入射光线分居在法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦，即sin1sin2n.在光的折射现象中光路也是可逆的10 法线11 成正比3折射率(1)定义：光由真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦跟折射角的
5、之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，即 nsin1sin2.想一想 介质的折射率与哪些因素有关？12 正弦(2)与光速的关系介质的折射率等于光在真空中的速度与该介质的速度之比，即 ncv.由 ncv可知，任何介质的折射率都大于；由 nsin1sin2和 ncv知，当光由真空(或空气)射入某种介质时，入射角大于折射角；当光由介质射入真空(或空气)时，入射角小于折射角；两种介质相比较，折射率较大的介质叫介质，折射率较小的介质叫介质13 115 光疏14 光密四、全反射和临界角1全反射光从介质射入介质时，在界面处一部分光被反射回原介质中，一部分光被折射到另一种介质中，随着入射角的增大，逐渐增
6、大，且折射光线越来越弱，反射光线越来越强，当入射角增大到某一角度，使折射角达到时，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射16 光密17 光疏18 折射角19 902全反射的条件(1)光从光密介质进入光疏介质；(2)入射角大于或等于3临界角折射角等于 90时的入射角某种介质的临界角用 sinC1n计算20 临界角4发生全反射现象时的光能量的变化光从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，一旦入射角等于临界角时，折射光的能量实际上已减为零，即此时已经发生了全反射5全反射的应用(1)光导纤维(2)解释现象，如水中气泡看起来特别明亮、海
7、市蜃楼等五、棱镜、光的色散1棱镜(1)光线通过棱镜时，出射光将向偏折，通过棱镜可看到物体的虚像，其位置向偏移(2)等腰直角棱镜叫棱镜光垂直于任意一条边射入，都会从另一边发生全反射21 底面22 顶角23 全反射(3)棱镜可以改变光的行进方向，起到控制光路的作用，特别是全反射棱镜更是被广泛使用全反射玻璃棱镜一般均为等腰直角棱镜(两底角为45)，这样光在玻璃内的入射角45大于42这一临界角，使光发生全反射两种使用方法请参阅图、.2光的色散白光通过三棱镜后，出射光束变为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光的光束，这种现象叫光的色散(1)白光通过三棱镜后会发生色散形成由红到紫各色光组成的由光谱中色光的顺序
8、可以看出，红光的偏向角，紫光的偏向角这是因为介质对不同色光的折射率不同，n 红n 紫，即以相同的入射角射到棱镜界面时，不同色光的折射角不同，就是说紫光偏折的更厉害些，所以紫光的偏向角最大24 光谱25 最小26 最大(2)单色光的颜色是由其决定的，当它从一种介质进入另一种介质时，它的频率不变，因而其也不变(3)色散的实质是由于各种色光在同一介质中传播的速率不同，或同一介质对不同色光的折射率不同即 n 红n 橙n黄n 绿n 蓝n 靛n 紫，v 红v 橙v 黄v 绿v 蓝v 靛v 紫，那么在同一介质中各色光的临界角 C 的关系为 在 同 一 介 质中，频率较高的光，其波长较短.27 频率28 颜色
9、29 C 红C 橙C 黄C 绿C 蓝C 靛C 紫考点诊断1.在阳光照射下，充满雾气的瀑布上方常常会出现美丽的彩虹彩虹是太阳光射入球形水珠经折射、内反射，再折射后形成的光的折射发生在两种不同介质的_上，不同的单色光在同种均匀介质中_不同答案 界面 传播速度(或折射率)2如图所示，为了观察门外情况，有人在门上开一小圆孔，将一块圆柱形玻璃嵌入其中，圆柱体轴线与门面垂直从圆柱底面中心看出去，可以看到的门外入射光线与轴线间的最大夹角称作视场角已知该玻璃的折射率为 n，圆柱长为 l，底面半径为 r，则视场角是()Aarcsinnlr2l2 Barcsinnrr2l2Carcsinrn r2l2Darcsi
10、nln r2l2答案 B3.据报道：2009 年十一届全运会时，光纤通信网将覆盖所有体育场馆，为各项比赛提供安全可靠的通信服务，光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输如下图所示，一条圆柱形的光导纤维，长为 L，它的玻璃芯的折射率为 n1，外层材料的折射率为 n2，光在空气中的传播速度为 c，若光从它的一端射入经全反射后从另一端射出所需的最大时间为t，则下列选项中正确的是(图中所标的 为全反射的临界角)()An1n2，tn1Ln2c Bn1n2，tn21Ln2cCn1n2，tn1Ln2cDn1n2，tn21Ln2c答案 B4如图，一个三棱镜的截面为等腰直角ABC，A 为直角此截面所在平面内的光
11、线沿平行于 BC 边的方向射到 AB边，进入棱镜后直接射到 AC 边上，并刚好能发生全反射该棱镜材料的折射率为()A.62 B.2 C.32 D.3解析 光路图如图所示，设光在 AB 边折射角为，在 AC 边发生全反射的临界角为 c，则 c90，由折射定律得，nsin45sin，sinc1n，联立以上式子得 n 62，选项 A 正确答案 A5如图所示，空气中有一折射率为 2的玻璃柱体，其横截面是圆心角为 90、半径为 R 的扇形 OAB.一束平行光平行于横截面，以 45入射角照射到 OA 上，OB 不透光若只考虑首次入射到圆弧AB上的光，则AB上有光透出部分的弧长为()A.16RB.14RC.
12、13RD.512R解析 由 sinC1n可知光在玻璃柱中发生全反射的临界角C45.据折射定律可知所有光线从AO进入玻璃柱后的折射角均为 30.从 O 点入射后的折射光线将沿半径从 C 点射出假设从 E 点入射的光线经折射后到达 D 点时刚好发生全反射，则ODE45.如图所示，由几何关系可知 45，故弧长DC 14R，故B 正确答案 B热点题型探究题型归纳题型一折射定律及其应用【例 1】将直角坐标和等腰直角棱镜 ABO 如下图所示放置，腰长为 16cm.为了测棱镜这种物质的折射率，从 OB 边 D点注视 A 棱，发现 A 棱的视位置在 C 点，在 D、C 两点插上大头针，取走棱镜，若 D、C 两
13、点的位置坐标分别为(0,12)和(9,0)，由此可求棱镜的折射率为多少？解析 由题意作出其光路图如图所示，由图可知sin1ODCD12122920.8，sin2 ODAD 12122162 0.6.棱镜的折射率nsin1sin20.80.643.答案 43点评 准确做出光路图，找出入射角和折射角，利用几何知识确定入射角和折射角的正弦值是解答这类问题的关键变式训练 1DVD 光盘由塑料保护层和信息记录层组成如图所示，激光束以入射角 从空气入射到厚度为 d、折射率为 n 的塑料保护层后，聚焦到信息记录层的光斑宽度为 a，才能有效获取信息在保证 a 不变的前提下，减小激光束照到塑料保护层的宽度 l(
14、la2b)，则()A须满足 sinnbb2d2B须满足 sinbn b2d2C在 和 n 不变时，须减小 dD在 和 d 不变时，须减小 n解析 设折射角为，则 nsinsinsinbb2d2，则 sinnbb2d2，A 正确，B 错误；在 和 n 不变时，减小 d，则 b会相应减小，l 会减小，C 正确；和 d 不变时，减小 n，则折射角又会增大，l 会增大，D 错误答案 AC题型二全反射问题分析【例 2】水的折射率为 n，距水面深 h 处有一个点光源(1)岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径为多少？(2)若岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域直径匀速增大，则光源如何运动？(3)若
15、某人在点光源的正上方垂直水面往下看，点光源的视深是多少？解析 (1)如图为点光源 S 发出的光刚好全反射的光路，其中 sinC1n.岸上人的看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径 d2r2htanC2htan(arcsin1n)(2)由 d2htanC 可知，若直径 d 均匀增大，则 h 均匀增加，说明光源匀速下降(3)当某人在点光源正上方垂直于水面向下观察时，如下图所示在由S发出的光线中选取一条垂直于水面MN的光线，由 O 点射出，另一条光线与 SO 成极小角度从 S 射向水面 A点，由 A 点远离法线折射到空气中，因入射角极小，故折射角也极小，进入人眼中的两条折射光线的反向延长线交于 S点，
16、该点即为我们看到的水池底部光点 S 的像，像点 S到水面距离 h，即为视深由图中可以看出深度变小了由几何关系有 tan1AOh，tan2AOh所以，tan1tan2 hh又 2、1 均很小，则 tan2sin2，tan1sin1，得sin1sin2 hh又 nsin1sin2，n hh，即 hhn.答案(1)2htan(arcsin1n)(2)匀速下降(3)hn变式训练 2 一束光波以 45的入射角，从 AB 面射入如图所示的透明三棱镜中，棱镜折射率 n 2.试求光进入 AB面的折射角，并在图上画出该光束在棱镜中的光路解析 sinrsinin 22 212，r30由 sinC1n 22，得 C
17、45.光在 AC 面发生全反射，并垂直 BC 面射出答案 见解析图题型三光的色散【例 3】abc 为一全反射棱镜，它的主截面是等腰直角三角形，如图所示一束白光垂直入射到 ac 面上，在 ab 面上发生全反射，若光线入射点 O 的位置保持不变，改变光线的入射方向(不考虑自 bc 面反射的光线)，则(1)使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出 ab 面，则哪种光首先射出？(2)使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，哪种光首先射出 ab 面？解析(1)白光垂直入射 ac 面后直射到 ab 面，入射角为 45，发生全反射说明棱镜的临界角 C45，这是对从红光到紫光的所有色光说的当入射
18、光顺时针偏转时，在 ac 面上发生色散，不同色光折射不同，红光偏折小，紫光偏折大，如图所示，射到 ab 面上时红光入射角小，紫光入射角大，但它们都小于 45.另一方面，棱镜对红光的临界角比紫光的临界角大因此，入射光顺时针逐渐偏转时，在 ab 面上红光的入射角将首先小于临界角而射出 ab 面(2)如果入射光逆时针偏转，则经ab面上的红光、紫光的入射角都大于45，都发生全反射而不可能从ab面射出答案(1)红光(2)没有光射出 ab 面点评 不论入射光顺时针还是逆时针绕 O 点旋转，只要分析清楚在 ab 面上各色光的入射角的变化情况，若入射角小于临界角则不能发生全反射，从而射出变式训练 3 一束白光
19、从顶角为 的一边以较大的入射角 射入并通过三棱镜后，在屏 P 上可得到彩色光带，如图所示，在入射角 逐渐减小到零的过程中，假如屏上的彩色光带先后全部消失，则()A红光最先消失，紫光最后消失B紫光最先消失，红光最后消失C紫光最先消失，黄光最后消失D红光最先消失，黄光最后消失解析 作出白光的折射光路图，如下图所示，可看出，白光从 AB 射入玻璃后，由于紫光偏折大，从而到达另一侧面 AC 时的入射角较大，且因紫光折射率大，sinC1n，因而其全反射的临界角最小，故随着入射角 的减小，进入玻璃后的各色光中紫光首先发生全反射不从 AC 面射出，后依次是靛、蓝、绿、黄、橙、红，逐渐发生全反射而不从 AC
20、面射出答案 B难点能力突破难点突破一、对折射率的理解(1)物理意义：折射率反映了介质的光学性质，它反映了光线由真空(或空气)射入介质时偏折得程度大小，折射率越大，光线向法线偏折得越厉害(2)决定因素：nsin1sin2是折射率的比值定义式，不能说 n与 sin1 成正比、与 sin2 成反比折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定(3)数值：由 ncv可知，因 vc，任何介质的折射率总大于 1.二、各色光特点对比表颜色红橙黄绿蓝靛紫频率 低高折射率小大同一介质中速度大小波长大小临界角大小三、平行玻璃砖与三棱镜比较 类别项目 平行玻璃砖三棱镜结构玻璃砖上下表面是平行的横截面为三角形的三棱镜 类别
21、项目 平行玻璃砖三棱镜对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过玻璃棱镜光线经两次折射后，出射光线向棱镜底面偏折 类别项目 平行玻璃砖三棱镜偏转情况讨论侧移 d 的大小取决于平行砖的厚度 h、平行砖介质的折射率 n 和光线原入射角 1，dhsin1(1cos1n2sin21)偏折角 跟棱镜的材料有关折射率越大，偏折角越大因同一介质对各种色光的折射率不同，所以各种色光的偏折角也不同，形成色散现象 类别项目 平行玻璃砖三棱镜成像特点通过平行玻璃砖看物体时看到的都是物体的虚像隔着棱镜看物体的像是正立的虚像，像的位置向棱镜的顶角方向偏移 类别项目 平行玻璃砖三棱镜应用实例测定玻璃
22、的折射率全反射棱镜，改变光的行进方向四、光的色散问题光的色散问题常与光的折射现象相关联，关键物理量是n(ncv)分析计算时，要掌握好n的应用及有关数字知识着重应用以下几点：(1)光的频率(颜色)由光源决定，与介质无关；(2)同一介质中，频率越大的光，折射率越大；(3)ncv.正确应用以上几点就能准确地判断有关色光在介质中的传播速度、波长、折射光线的偏折程度等问题.高考能力考向 1光的折射、全反射1.(2011福建)如下图，半圆形玻璃砖置于光屏 PQ 的左下方一束白光沿半径方向从 A 点射入玻璃砖，在 O 点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带若入射点由 A 向B 缓慢移动，并保持白光沿半
23、径方向入射到 O 点，观察到各色光在光屏上陆续消失在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是()A减弱，紫光 B减弱，红光C增强，紫光D增强，红光解析 本题考查光的全反射现象和白光色散现象，意在考查考生应用光的全反射和色散知识分析判断实际现象的能力入射点由 A 向 B 缓慢移动的过程中，同一介质对各色光的折射率不同，各色光对应的全反射的临界角也不同七色光中紫光的折射率最大，由 sinC1n可知紫光的临界角最小，所以最先发生全反射的是紫光，折射光减弱，则反射光增强，故 C 正确答案 C2(2011山东)如下图所示，扇形 AOB 为透明柱状介质的横截面，圆心角AOB60.一
24、束平行于角平分线 OM 的单色光由 OA 射入介质，经 OA 折射的光线恰平行于 OB.(1)求介质的折射率(2)折射光线中恰好射到 M 点的光线_(填“能”或“不能”)发生全反射解析 依题意作出光路图(1)由几何知识可知入射角 i60，折射角 r30根据折射定律得nsinisinr代入数据解得n 3.(2)不能答案(1)3 (2)不能3(2011新课标)一半圆柱形透明物体横截面如图所示，底面 AOB 镀银(圆中粗线)，O 表示半圆截面的圆心一束光线在横截面内从 M 点入射，经过 AB 面反射后从 N 点射出已知光线在 M 点的入射角为 30，MOA60，NOB30.求：(1)光线在 M 点的
25、折射角；(2)透明物体的折射率解析(1)如图，透明物体内部的光路为折线 MPN，Q、M 点相对于底面 EF 对称，Q、P 和 N 三点共线设在 M 点处，光的入射角为 i，折射角为 r，OMQ，PNF.根据题意有30由几何关系得PNOPQOr，于是r60且 r由式得r15.(2)根据折射率公式有sininsinr由式得 n 6 22.答案(1)15(2)6 224(2011海南)一赛艇停在平静的水面上，赛艇前端有一标记 P 离水面的高度为 h10.6m，尾部下端 Q 略高于水面，赛艇正前方离赛艇前端 s10.8m 处有一浮标，示意如下图一潜水员在浮标前方 s23.0m 处下潜到深度为 h24.0m 时，看到标记刚好被浮标挡住，此处看不到船尾端 Q；继续下潜4.0m，恰好能看见 Q.求：(1)水的折射率 n；(2)赛艇的长度 l.(可用根式表示)解析(1)设过 P 点光线，恰好被浮标挡住时，入射角、折射角分别为、，则sins1s21h21，sins2s22h22，nsinsin 由得 n43.(2)潜水员和Q点连线与竖直方向夹角刚好为临界角C，则sinC1n34 tanCs1s2lh2 由解得l24 773.8.答案(1)43(2)24 773.8课后作业
