1、第三节 光的折射 全反射(实验：测定玻璃的折射率)第十四章 机械振动与机械波 光 电磁波与相对论一、光的折射与折射率1折射定律(1)内容：如图所示，折射光线与入射光线、法线处在_内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成_比同一平面正(2)表达式：sin 1sin 2n.(3)在光的折射现象中，光路是_的2折射率(1)折射率是一个反映介质的_的物理量(2)定义式：nsin 1sin 2.可逆光学特性(3)计算公式：ncv，因为 vc，所以任何介质的折射率都大于_(4)当光从真空(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
2、角1二、全反射1条件：(1)光从_介质射入_介质(2)入射角_临界角2临界角：折射角等于 90时的入射角，用 C 表示，sin C_光密光疏 1n 1.判断正误(1)光的传播方向发生改变的现象叫光的折射()(2)折射率跟折射角的正弦成正比()(3)入射角足够大，也不一定能发生全反射()(4)若光从空气中射入水中，它的传播速度一定增大()(5)已知介质对某单色光的临界角为 C，则该介质的折射率等于1sin C.()(6)密度大的介质一定是光密介质()提示：(1)(2)(3)(4)(5)(6)三、光的色散、棱镜1光的色散(1)色散现象：白光通过三棱镜会形成由红到紫七种色光组成的彩色光谱，如图(2)
3、成因：由于 n 红n 紫，所以以相同的入射角射到棱镜界面时，红光和紫光的折射角不同，就是说紫光偏折得更明显些，当它们射到另一个界面时，紫光的偏折角最大，红光偏折角最小2棱镜：三棱镜对光线的作用是改变光的传播方向，使复色光发生色散 2.(2015高考福建卷)如图，一束光经玻璃三棱镜折射后分为两束单色光 a、b，波长分别为 a、b，该玻璃对单色光 a、b 的折射率分别为 na、nb，则()Aanb Bab，nanbCab，nab，nanb提示：一束光经过三棱镜折射后，折射率小的光偏折较小，而折射率小的光波长较长所以 ab，na光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G 点射出，如图，由反射定律和几何
4、关系得OGOC 32 R射到 G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达 C 点射出答案(1)2R(2)光线从 G 点射出时，OGOC 32 R，射到 G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达 C 点射出(2015高考山东卷)半径为R、介质折射率为 n 的透明圆柱体，过其轴线 OO的截面如图所示位于截面所在的平面内的一细束光线，以角 i0 由 O 点入射，折射光线由上边界的 A 点射出当光线在 O 点的入射角减小至某一值时，折射光线在上边界的 B 点恰好发生全反射求 A、B 两点间的距离解析：当光线在 O 点的入射角为 i0 时，设折射角为 r0，由折射定律得 sin i0sin r0n设 A
5、点与左端面的距离为 dA，由几何关系得sin r0Rd2AR2若折射光线恰好发生全反射，则在 B 点的入射角恰好为临界角C，设 B 点与左端面的距离为 dB，由折射定律得 sin C1n由几何关系得 sin CdBd2BR2设 A、B 两点间的距离为 d，可得 ddBdA联立式得d1n21 n2sin2i0sin i0R.答案：1n21 n2sin2i0sin i0R1求解全反射现象中光的传播时间的一般思路(1)全反射现象中，光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即 vcn.(2)全反射现象中，光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定(3)利用 tlv求解光的传播时间 2解决全反射问题的一
6、般方法(1)确定光是从光密介质进入光疏介质(2)应用 sin C1n确定临界角(3)根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射(4)如发生全反射，画出入射角等于临界角时的临界光路图(5)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算，解决问题 光的色散现象【知识提炼】1光线射到介质的界面上时，要注意对产生的现象进行分析：(1)若光线从光疏介质射入光密介质，不会发生全反射，而同时发生反射和折射现象，不同色光偏折角不同(2)若光线从光密介质射向光疏介质，是否发生全反射，要根据计算判断，要注意不同色光临界角不同2作图时要找出具有代表性的光线，如符合边界条件或全反射临界条件的光线3解答时
7、注意利用光路可逆性、对称性和几何知识4各种色光的比较颜色红橙黄绿青蓝紫频率 低高同一介质中的折射率小大同一介质中速度大小波长大小临界角大小通过棱镜的偏折角小大5.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)结构玻璃砖上下表面是平行的横截面为三角形的三棱镜横截面是圆平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底边偏折圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射后向圆心偏折平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球)应用测定玻璃的折射率全反射棱镜，改变光的传播方向改变光的传播方向【典题例析】实验表明，可
8、见光通过三棱镜时各色光的折射率 n 随波长 的变化符合科西经验公式：nAB2C4，其中 A、B、C 是正的常量太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如图所示，则()DEA屏上 c 处是紫光 B屏上 d 处是红光C屏上 b 处是紫光D屏上 a 处是红光E屏上 d 处是紫光审题指导 根据折射图象可得出各光的偏折程度，即可得出折射率的大小，则可得各光的频率、波长等的大小关系，进而可判断各光可能的顺序解析 白色光经过三棱镜后产生色散现象，在光屏由上至下依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫由于紫光的折射率最大，所以偏折最大；红光的折射率最小，则偏折程度最小故屏上 a 处为红光，屏上 d 处为紫光，D、E 正确答案
9、 DE【跟进题组】考向 1 对光的色散现象的考查1(2015高考重庆卷)虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可利用白光照射玻璃球来说明两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成 MN 和 PQ 两条彩色光带，光路如图所示M、N、P、Q 点的颜色分别为()A紫、红、红、紫 B红、紫、红、紫C红、紫、紫、红D紫、红、紫、红A解析：七色光中红光的折射率最小，紫光的折射率最大，故经玻璃球折射后红光的折射角较大，由玻璃球出来后将形成光带，而两端分别是红光和紫光，根据光路图可知 M、Q 点为紫光，N、P 点为红光，故选 A.考向 2 对光路的分析2(1)一束复色光由空气
10、射向一块平行平面玻璃砖，经折射分成两束单色光 a、b.已知 a 光的频率小于 b 光的频率下面哪个光路图可能是正确的()(2)如图所示，含有两种单色光的一细光束，以入射角 射入厚度为 d的平行玻璃砖中，该玻璃砖对两种单色光的折射率分别为 n1 和 n2，且n1n2.求两束单色光从下表面射出时出射点之间的距离解析：(1)由于 a 光的频率小于 b 光的频率，可知 a 光的折射率小于 b 光的折射率在上表面 a、b 两束单色光的入射角相同，由折射定律可判断出 a 光的折射角大于 b 光的折射角在下表面，光线由玻璃射向空气，光线折射率为折射角正弦比入射角正弦，故下表面的折射角应与上表面的入射角相同，
11、即通过玻璃砖后的出射光线应与原入射光线平行(2)光路图如图所示，则 n1sin sin r1，n2sin sin r2tan r1x1d，tan r2x2dxx2x1联立各式解得xdsin 1n22sin21n21sin2.答案：(1)B(2)dsin 1n22sin21n21sin2光的色散中应注意的问题(1)明确题意，入射光为复色光，在出射光中，不同色光的偏折不同(2)红光的折射率最小，其偏折最小(3)紫光的折射率最大，其临界角最小，最易发生全反射(4)光的色散现象常和光的折射现象相互关联，各种色光的频率不同，在同种介质中的折射率不同，波速、波长相应地发生变化 实验：测定玻璃的折射率【知识
12、提炼】1实验原理：用插针法找出与入射光线 AO 对应的出射光线OB，确定出 O点，画出折射光线 OO，然后测量出角 1 和2，代入公式 nsin 1sin 2计算玻璃的折射率2实验过程(1)铺白纸、画线如图所示，将白纸用图钉按在平木板上，先在白纸上画出一条直线 aa作为界面，过 aa上的一点 O 画出界面的法线 MN，并画一条线段 AO 作为入射光线把玻璃砖平放在白纸上，使它的长边跟 aa对齐，画出玻璃砖的另一条长边 bb.(2)插针与测量在线段 AO 上竖直地插上两枚大头针 P1、P2，透过玻璃砖观察大头针 P1、P2 的像，调整视线的方向，直到 P1 的像被P2 挡住，再在观察的这一侧依次
13、插两枚大头针 P3、P4，使P3 挡住 P1、P2 的像，P4 挡住 P1、P2 的像及 P3，记下 P3、P4的位置移去玻璃砖，连接 P3、P4 并延长交 bb于 O，连接 OO即为折射光线，入射角 1AOM，折射角 2OON.用量角器测出入射角和折射角，查出它们的正弦值，将数据填入表格中改变入射角 1，重复以上实验步骤，列表记录相关测量数据3数据处理(1)计算法：用量角器测量入射角 1 和折射角 2，并查出其正弦值 sin 1 和 sin 2.算出不同入射角时的sin 1sin 2，并取平均值(2)作 sin 1sin 2 图象：改变入射角 1，测出不同的折射角 2，作 sin 1sin
14、2 图象，由 nsin 1sin 2可知图象应为直线，如图所示，其斜率为折射率(3)“单位圆”法确定 sin 1、sin 2，计算折射率 n：以入射点 O 为圆心，以一定的长度 R 为半径画圆，交入射光线OA 于 E 点，交折射光线 OO于E点，过 E 作 NN的垂线 EH，过 E作 NN的垂线 EH.如图所示，sin 1EHOE，sin 2EHOE，OEOER，则 nsin 1sin 2 EHEH.只要用刻度尺量出 EH、EH的长度就可以求出 n.4注意事项(1)玻璃砖应选用厚度、宽度较大的(2)大头针要插得竖直，且间隔要大些(3)入射角不宜过大或过小，一般在 1575之间(4)玻璃砖的折射
15、面要画准，不能用玻璃砖界面代替直尺画界线(5)实验过程中，玻璃砖和白纸的相对位置不能改变【典题例析】(2017郑州一中模拟)(1)几位同学做“用插针法测定玻璃折射率”实验，图示直线 aa、bb表示在白纸上画出的玻璃砖的两个界面几位同学进行了如下操作：A甲同学选定的玻璃砖两个光学面 aa与 bb不平行，其他操作正确B乙同学在白纸上正确画出平行玻璃砖的两个界面 aa和 bb后，将玻璃砖向 aa方向平移了少许，其他操作正确C丙同学在白纸上画 aa、bb两界面时，其间距比平行玻璃砖两光学面的间距稍微大些，其他操作正确上述几位同学的操作，对玻璃折射率的测定结果没有影响的是_(填写选项前的字母)AB(2)
16、在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，已确定好入射方向AO，插了两枚大头针 P1 和 P2，如图所示(是三条直线)在以后的操作说法中你认为正确的是_A在 bb侧调整观察视线，另两枚大头针 P3 和 P4 可能插在线上BB保持 O 点不动，减小入射角，在 bb侧调整观察视线，另两枚大头针 P3 和 P4 可能插在线上C保持 O 点不动，增大入射角，在 bb侧调整观察视线，看不清 P1 和 P2 的像，这可能是光在 bb侧面发生全反射解析(1)甲同学选定的玻璃砖两个光学面 aa和 bb不平行，不会影响入射角和折射角的确定；乙同学将玻璃砖向 aa方向平移了少许，直线 aa、bb之间的距离仍然等于玻璃砖的
17、厚度，入射角和折射角的大小不变；丙同学在白纸上画 aa和 bb间距比平行玻璃砖两光学面的间距稍微大些，使画出的入射点向左移，出射点向右移，所画的折射角比实际值大，算得的折射率将偏小(2)由折射定律得知，光线通过平行玻璃砖后向一侧发生侧移，由于光线在上表面折射时，折射角小于入射角，则出射光线向一侧偏移，如图，故另两枚大头针 P3 和 P4 不可能插在线上故 A错误若保持 O 点不动，减小入射角，折射角也减小，另外两枚大头针 P3 和 P4 可能插在线上故 B 正确若保持 O点不动，增大入射角，在 bb侧调整观察视线，看不清 P1 和P2 的像，反射光增强，折射光线减弱，根据光路可逆性原理得知，光
18、线不可能在 bb 界面发生全反射故 C 错误【跟进题组】考向 1 利用折射现象测折射率1(2016高考四川卷)某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射率 n.如图甲所示，O 是圆心，MN 是法线，AO、BO 分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径该同学测得多组入射角 i 和折射角 r，作出 sin isin r 图象如图乙所示则()BA光由 A 经 O 到 B，n1.5B光由 B 经 O 到 A，n1.5C光由 A 经 O 到 B，n0.67D光由 B 经 O 到 A，n0.67解析：由题图乙可知，入射角 i 小于折射角 r，则可知光是从玻璃砖进入空气，即光由 B 经 O 到 A；由折射
19、率公式，nsin rsin i0.90.61.5，B 项正确考向 2 利用全反射现象测折射率2.某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率开始玻璃砖的位置如图中实线所示，使大头针 P1、P2 与圆心 O在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心 O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察 P1、P2 的像，且 P2 的像挡住 P1的像如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失此时只需测量出_，即可计算出玻璃砖的折射率请用你的测量量表示出折射率 n_玻璃砖直径边绕 O 点转过的角度 1sin 解析：当玻璃砖转到图中虚线位置时，在玻璃砖的直径边一侧恰看不到 P1、P2 的像，说明光线在直径界面上恰好发生了全反射如图玻璃砖直径转过的角度 等于法线转过的角度，此时的入射角为，为临界角，所以 n 1sin.因此，只需测出玻璃砖直径边绕 O 点转过的角度即可本部分内容讲解结束 按ESC键退出全屏播放
