高中物理选修3-4光学详解

1 2010届高三物理一轮复习导学案

十四、光学（1）

【课题】光的折射 全反射现象

【目标】

1、了解光的折射现象，理解光的折射定律。

2、了解光的全反射现象，掌握全反射的重要条件和应用。

【导入】

一、光的折射定律

折射光线在入射光线和法线所在的平面上，折射光线和入射光线分居在法线两侧，入射角的正弦跟折射角的正弦之比为一常数sini/sinr=n。

二、折射率

1、光从真空射入某种介质时，入射角的正弦跟折射角的正弦之比n=sini/sinr

2、折射率等于光在真空中的速度c 跟光在这种介质中的速度v之比，n= c/v．

三、全反射

1、当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。

2、全反射临界角：光从光密介质射向光疏介质，当折射角变为90°时的入射角叫临界角；光从折射率为n的介质射向真空时临界角的计算公式：sinA=1/n。

四、光导纤维

利用光的全反射，可制成光导纤维。光从光导纤维一端射入后，在传播过程中经过多次全反射，最终从另一端射出。由于发生的是全反射，因此传播过程中的能量损耗非常小。用光导纤维传输信息，既经济又快捷。

【导研】

[例1] 单色光在真空中的传播速度是c，波长为λ0，在水中的传播速度是v，波长为λ，水对这种单色光的折射率为n。当这束单色光从空气斜射入水中时，入射角为θ1，折射角为θ2，下列说法中正确的是（ ）

A．v=nc

vc0 B．n0

12sinsincv

C．v=cn λ=λ0cv D．n0

21sinsincv

[例2] 一束光从空气射向折射率为2的一种玻璃表面，其入射角为 i ，下列说法正确的是（ ）

A．i＞450时，会发生全反射 B．增大入射角i ，折射角会大于450

C．欲使折射角r＝300，则 i 应为600

D．当i＝arctan2时，反射光线恰好与折射光线垂直

2 [例3]（南通、扬州、泰州三市2008届高三第二次调研测试）如图甲所示，现有一束白光从图示位置射向棱镜I，在足够大的光屏M上形成彩色光谱，下列说法中正确的是（ ）

A．屏M自上而下分布的色光的波长山小到大

B．在各种色光中，红光通过棱镜时间最长

C．若入射白光绕入射点顺时针旋转，在屏M上最先消失的是紫光

D．若在棱镜I和屏M间放置与I完全相同的棱镜Ⅱ，相对面平行(如图乙所示)，则在屏M上形成的是彩色光谱

[例4]（通州市2008届高三第四次调研测试）光纤通信是一种现代化的通讯工具，为了研究问题的方便，我们将光导纤维简化为一根长直的玻璃管，如图所示为玻璃管沿轴线的横截面，若光从左端以与端面成300入射，玻璃管长为L，折射率为n=3，已知光在真空中的传播速度为c．

（1）通过计算分析光能否从玻璃管的侧面射出；

（2）求出光通过玻璃管所需的时间．

[例5] (江苏省拼茶中学2008届高三物理五月份模拟试卷)如图直角三角形ABC，角A=300，BC=2cm，n=3，平行光与AB平行射向AC，在BC的右侧有光屏P，P与BC平行，在光屏上有一光带.

（1）作出在P上形成光带的光路。

（2）屏离BC之距多大，可使连续光带最宽。

[例6]（1）（2008年高考物理模拟试卷）如图所示，将刻度尺直立在装满某种透明液体的宽口瓶中（液体未漏出），从刻度尺上A、B两点射出的光线AC和BC在C点被折射和反射后都沿直线CD传播，已知刻度尺上相邻两根长刻度线间的距离为1 cm，刻度尺右边缘与宽口瓶右内壁间的距离d=2.5 cm，由此可知，瓶内液体的折射率n= （可保留根号）．

（2）(南京市2008届高三第一次模拟考试)如图所示，C O M N A B

D P1

P2

P3 3 某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率．在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖（图中实线部分）另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接O P3．图中MN为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点． 设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO的长度为l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量 （用上述给出量的字母表示），则玻璃砖的折射率可表示为 ．

【导练】

1、如图所示，两块同样的玻璃直角三棱镜ABC，两者的AC面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知透明介质，一单色细光束O垂直于AB面入射，在图示的出射光线中（ ）

A.1、2、3（彼此平行）中的任一条都有可能

B.4、5、6（彼此平行）中的任一条都有可能

C.7、8、9（彼此平行）中的任一条都有可能

D.只能是4、6中的某一条

2、（全国大联考2008届高三第六次联考·理科综合试卷）海面下的潜艇Q为了与海面上的指挥船P保持联系，潜艇Q发出的红外线信号1和紫外线信号2 沿图示路线传播，到达指挥船P．下列传播路线的图示中可能正确的是（ ）

3、现在高速公路上的标志牌都用“回归反光膜”制成，夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向返回，标志牌上的字特别醒目。这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的，如图所示，反光膜内均匀分布着直径为10μm的细玻璃珠，所用玻璃的折射率为3，为使入射的车灯光线经玻璃珠折射→反射→再折射后恰好和入射光线平行，那么第一次入射的入射角应是（ ）

A．15° B．30° C．45° D．60°

4、（南京市2008年高三总复习试卷）太阳光照射在平坦的大沙漠上，我们在沙漠中向前看去，发现前方某处射来亮光，好像太阳光从远处水面反射来的一样，我们认为前方有水。但走到该处仍是干燥的沙漠，这现象在夏天城市中太阳光照射沥青路面时也能观察到。对这种现象正确的解释是（ ）

A．越靠近地面，空气的折射率越大 B．这是光的干涉形成的

C．越靠近地面，空气的折射率越小 D．这是光的衍射形成的 4 5、（2008年苏、锡、常、镇四市调查二）一复色光中只含有 a 、 b 两种单色光，在真空中a光的波长大于b光的波长．

①在真空中，a光的速度 ▲ （选填“大于”、“等于”或“小于”）b光的速度．

②若用此复色光通过玻璃半球且经球心O射向空气时，下列四个光路图中可能符合实际情况的是 ▲ ．

6、半径为R的半圆柱形玻璃，横截面如图所示，O为圆心，已知玻璃的折射率为2，当光由玻璃射向空气时，发生全反射的临界角为________。一束与MN平面成45°的平行光束射到玻璃的半圆柱面上，经玻璃折射后，有部分光能从MN平面上射出。则能从MN射出的光束的宽度为________。

7、在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三同学在纸上画出界面aa＇、bb＇与玻璃砖位置的关系分别如图①、②和③所示，其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖，他们的其他操作均正确，且均以aa＇、bb＇为界面画光路图，则

A、甲同学测得的折射率与真实值相比 (填“偏大”、“偏小”或“不变”)

B、乙同学测得的折射率与真实值相比 (填“偏大”、“偏小”或“不变”)

C、丙同学测得的折射率与真实值相比 (填“偏大”、“偏小”或“不变”)

彩虹是悬浮于空气中的大量小水珠对阳光的色散造成的，如图所示为太阳光照射到空气中的一个小水珠发生全反射和色散的光路示意图，其中a、b为两束频率不同的单色光。以下说法中正确的是 （ A ）

A.色光a如果是黄光，色光b可能是紫光

B.a光光子能量大于b光光子能量

C.在同一装置用这两种色光做双缝干涉实验，看到的a光的干涉条纹间距比b光的干涉条纹间距小 a a＇

b b＇ a a＇

b b＇ a a＇

b

b＇ ① ③ ②

太阳光

b

a 小水珠 5 D.b光的波长大于a光的波长

图示是一透明的圆柱体的横截面，其半径R＝20cm，折射率为3，AB是一条直径，今有一束平行光沿AB方向射向圆柱体，试求：

①光在圆柱体中的传播速度；

②距离直线AB多远的入射光线，折射后恰经过B点.

解：①光在圆柱体中的传播速度

8310m/scvn

②设光线PC经折射后经过B点，光路图如图所示

由折射定律有：sin3sinn ①

又由几何关系有： 2 ②

解①②得 o60

光线PC离直线AB的距离CD=Rsinα＝103cm

则距离直线AB103cm的入射光线经折射后能到达B点.

如图，一透明球体置于空气中，球 半径R=10cm，折射率n＝2.MN是一条通过球心的直线，单色细光束AB平行于MN射向球体，B为入射点， AB与MN间距为52cm，CD为出射光线.

①补全光路并求出光从B点传到C点的时间；

②求CD与MN所成的角α.（需写出求解过程）

答案 ①连接BC，如图

在B点光线的入射角、折射角分别标为i、r，

Sini=52/10=2/2, 所以，i＝45°

由折射率定律：

在B点有：rinsinsin；Sin r=1/2

故：r＝30° ；BC=2Rcos r ；t=

BCn/c=2Rncos r/c

t=(6/3) ×10-9s

②由几何关系可知15COP 135OCP α＝30°

B P C

O D α

β

B

C

D P α O M N i

r A B

C

D P α O M N