光的折射 全反射
第十六章 光学
本章概览
1. 光学包括两大部分内容:几何光学和物理光学.几何光学是以光的直线传播为基础,研究光在介质中的传播规律;物理光学是研究光的本性及规律的学科.
2. 本章重点考查光的折射定律,折射率,临界角,光的干涉;其次考查余反射、光的衍射、光的偏振等基本规律、概念的理解和掌握,以及通过作光路图,结合几何关系的计算考查学生对基本规律的应用.
3. 从今年的考试要求来看,这一部分的试题难度会有所下降,因此对基本概念、规律的理解要透彻,尤其是一些常识性的知识点.同时,要注意该部分内容与实际生产、生活的联系.
第一课时 光的折射 全反射
【教学要求】
1.了解光的折射定律、理解光的折射率。 2.了解光的全反射现象、光的色散现象。 【知识再现】
一、 光的折射与折射率
1.定义:光由一种介质射入另一种介质,在介面上光路发生改变的现象,叫光的折射.
2.折射定律:折射光线跟 光线和 在同一平面内, 光线和 光线分别位于 的两侧, 的正弦跟的 正弦成比. 3.折射率
(1)折射率:光从 射入 发生折射时, 的正弦与 的正弦之比,叫作这种介质的折射率.
(2)表达式 或 。 二、全反射与临界角
1.全反射现象:光从 介质人射到 介质的分界面上时,折射光线消失,光全部反射回 介质的现象.
2.临界角:折射角等于900时的 叫临界角. 3.发生全反射的条件:
①光由 介质射向 ; ②入射角 临界角. 4.应用:光导纤维(如图所示): 三、棱镜与光的色散
1.棱镜:光线照射到棱镜的一个侧面上时,经两个侧面折射后,出射光线向棱镜的 偏折。物体经棱镜所成的虚像向 方向偏移。
2.白光通过棱镜折射后会发生色散现象。单色光排列的顺序 。光的色散表明: ①白光是 ;
②同一介质对不同色光的 ,频率越高光的折射率越大。
1.折射率反映了材料折光性能的强弱,同一色光在同种介质中折射率相同。 2.折射率等于光线从真空斜射入介质,入射角正弦与折射角正弦的比值,n =3.折射率等于光在真空中的速度与在介质中的速度之比,n=c/v 4.任何材料的折射率都大于1。
00,折射角也是00,折射光线没有偏折就不是折射现象吗?
【应用1】(徐州市2008高三摸底考试)如图所示,某透明液体深1m ,一束与水平面成300角的光线照向该液体,进入该液体的
光线与水平面的夹角为45。试求: ①该液体的折射率;
②进入液面的光线经多长时间可以照到底面。
1.光疏介质和光密介质:两种介质比较,折射率小的介质叫 介质,折射率大的介质叫 介质;“光疏”和“光密”具有相对性。
2.全反射现象:光从 介质入射到 介质的分界面上时,当入射角增大到一定程度时,光全部反射回 介质,这一现象叫全反射现象。
3.临界角:折射角等于 时的 叫做临界角。用C 表示,C =arcsin 1。
n
sin i sin r
4.发生全反射的条件:(1)光从 介质入射到 介质;(2)入射角 临界角。
【应用
2】在一个圆形轻木塞的中心插上一根大头针,然后把它倒放在水面上,调节针插入的深度,使观察者不论在什么位置都刚好不能看到水下的大头针,如图所示,量出针露出的长度为d ,木塞得半径为r ,求水的折射率。
1.三棱镜对光线的作用
①光密三棱镜:当光线从一侧面射入,从另一侧面射出时,光线两次均向底面偏折。
②全反射棱镜(等腰直角棱镜):当光线从一直角边垂直射入时,在斜边发生全反射,从另一直角边垂直射出。当光线垂直于斜边射入时,在两直角边发生全反射后又垂直于斜边射出。
③三棱镜成像:当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入,从另一侧面射出时,逆着出射光线可以看到物体的虚像。 2.光的色散
①由于各种色光的折射率不同,因此一细束复色光经三棱镜折射后将发生色散现象。
②白光通过三棱镜,要发生色散,红光偏折角最小,紫光偏折角最大.偏折角从小到大的顺序是:红、橙、黄、绿、蓝、紫. ③结论——从红到紫的方向有:
(1)同一介质对不同色光的折射率逐渐增大. (2)在同一介质中不同色光的传播速度逐渐减小. (3)光的频率逐渐增大.
(4)在真空中的波长逐渐减小. (5)光子的能量逐渐增大. 【应用3】(江苏九校2007年第二次联考试卷)如图所示,截面为ABC 的玻璃直角三棱镜放置在空气中,宽度均为d 的紫、红两束光垂直照射三棱镜的一个直角边AB ,在三棱镜的另一侧放置一平行于AB 边的光屏,屏的距离远近可调,在屏上出现紫、红两条光带,可能是( ) A .紫色光带在上,红色光带在下,紫色光带较宽 B .紫色光带在下,红色光带在上,紫色光带较宽 C .红色光带在上,紫色光带在下,红色光带较宽 D .红色光带在下,紫色光带在上,红色光带较宽
例题:一个横截面为半圆形的光学元件,其材料的折射率为n=2
,
一束平行光以
45º的入射角射向其上表面,如图所示。求:在图中标出入射光能从其半圆面上射出的范围。
成功体验
1.(连云港市2007届高三年级第三次调研)如图所示,为一块建筑用幕墙玻璃的剖面图,在其上建立直角坐标系xOy ,设该玻璃的折射率沿y 轴正方向均匀发生变化。现有一单色a 从原点O 以某一入射角由空气射入该玻璃内部,且单色光a 在该材料内部的传播路径如图中实线所示。则玻璃的折射率沿y 轴正方向发生变化的情况是 ( )
A .折射率沿y 轴正方向均匀减小 B .折射率沿y 轴正方向均匀增大
C .折射率沿y 轴正方向先均匀减小后均匀增大 D .折射率沿y 轴正方向先均匀增大后均匀减小 2.5.(广州市重点中学2008高三质检)如图从点光源S 发出的一细束白光以入射到三棱镜的表面,经过三棱镜的折射后发生色散现象,在光屏的ab 间形成一条彩色光带. 下面的说法中正确的是( ) A . a 侧是红光,b 是紫光
B. 在真空中a 光的波长小于b 光的波长
C .三棱镜对a 光的折射率大于对b 光的折射率 D. 三棱镜中a 光的传播速率大于b 光的传播速率 3.如图, 等腰棱镜的顶角为30°, 光线MD 垂直于AC 边射向棱镜, 入射光线MD 和折射光线ON 的延长线夹角为30°,则光在这种玻璃中传播的速度大小为__________m/s.
4.如图所示,一透明塑料棒的折射率为n, 光线由棒的一端面射入,当
入射角i 在一定范围内变化时,光将全部从另一端面射出。当入射角为i 时,光在棒的内侧面恰好发生全反射。
第一课时 光的折射 全反射 答案
i =90︒-30︒=60︒
折射角r =90︒-45︒=45︒
所以n =
sin i sin 60︒6
==sin r sin 45︒2
h
=2m cos r
②光在液体中传播的速度时:位移s =速度v =c
n
=⨯108
m/s 所以:t =s =
v
⨯10-8s 3
使观察者不论在什么位置都刚好 不能看到水下的大头针时,表明此时A 点发出的光线发生了全反射。如图所示, 从A 点发出的光到达B 点恰好以临界角C 入射,因此sinC=1/n, 在∆AOB 中tanC=r/D, 而tan C =sin C =1,
-sin 2C
n 2-1
所以n=
d 2+r
2/r
处理这类问题通常是先画出临界几何光路图,再用折射定律,全反射的知识求解。 紫光的频率比红光大,故三棱镜对紫光的折射率比对红光大,通过三棱镜后紫光偏离入射方向的角度大,当光屏离三棱镜的距离适当时,紫光既可以在红光的上面,也可以在红光的下面. 故选CD
n=sin 45︒,可得θ=300,从圆心O 射入的光线
sin θ
到达半圆周上的C 点时,入射角为00,因此一定有光线射出。从C 点向左右两边移动,射到半圆周上的光线的入射角都将逐渐增大。当入射角增大到临界角时,光线发生全反射,不再能够从该元件射出。由sin θ0=1/n,求出临界角为θ0=450。设光线射到C 点左边某一点A 时刚好有入射角α=θ0=450,从图中可以看出ΔAOD 中β=600,所以γ=750;同理设光线射到C 点右边某一点B 时刚好有入射角α=θ0=450,从图中可以看出ΔBOE 中的σ=150。只有以上得到的A 、B 两点间的圆弧上,才有光线射出。AB 弧的度数是900º。
(1)对射到圆弧上的光线,一定要做出过该点的半径,因为该半径
就是法线。有了法线,入射角、折射角就都好分析了。(2)通过这道题体会一下作图和计算的关系.做有关折射、全反射的题目,必须尽量准确地作图,同时利用几何关系进行计算。
答案:1.A 2.BC 3.
⨯10
8
4.i ≤arcsin n 2-1