（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十四章 第1節(jié) 光的折射 全反射學(xué)案（含解析）

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1、（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十四章 第1節(jié) 光的折射 全反射學(xué)案（含解析） 新課程標(biāo)準(zhǔn) 核心知識提煉 1.通過實(shí)驗(yàn)，理解光的折射定律。會測定材料的折射率。 2.知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件。初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。 3.觀察光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，知道其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。會用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測定光的波長。 4.通過實(shí)驗(yàn)，了解激光的特性，能舉例說明激光技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。 5.了解電磁振蕩和電磁波。知道電磁波的發(fā)射、傳播和接收。認(rèn)識電磁場的物質(zhì)性。 6.認(rèn)識電磁波譜。知道各個(gè)波段的電磁波的名稱、特

2、征和典型應(yīng)用。知道光也是一種電磁波。 7.初步了解麥克斯韋電磁理論的基本思想以及在物理學(xué)發(fā)展中的意義。 8.初步了解狹義相對論和廣義相對論的幾個(gè)主要觀點(diǎn)以及主要觀測證據(jù)。關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展。 光的折射定律　折射率 全反射現(xiàn)象 光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象 激光的特性 電磁振蕩和電磁波 電磁波的發(fā)射、傳播和接收 電磁波譜 麥克斯韋電磁理論 狹義相對論和廣義相對論 實(shí)驗(yàn)：測定玻璃的折射率 實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測量光的波長 第1節(jié)　光的折射　全反射 一、光的折射定律　折射率 1．折射定律 (1)內(nèi)容：如圖所示，折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射

3、光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成比。 (2)表達(dá)式：＝n。 (3)在光的折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。 2．折射率 (1)折射率是一個(gè)反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量。 (2)定義式：n＝。 (3)計(jì)算公式：n＝，因?yàn)関

4、度越。 二、全反射　光導(dǎo)纖維 1．定義 光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射光線將全部消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象。 2．條件 (1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)； (2)入射角大于或等于臨界角。 3．臨界角 折射角等于90°時(shí)的入射角。若光從光密介質(zhì)(折射率為n)射向真空或空氣時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角為C，則sin C＝。介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越。 4．光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維的原理是利用光的全反射。如圖所示。 [深化理解] 1．光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角；從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角。 2．在同種介質(zhì)中，光的

5、頻率越高，折射率越大，傳播速度越小，全反射的臨界角越小。 3．無論折射現(xiàn)象還是反射現(xiàn)象，光路都是可逆的。 [基礎(chǔ)自測] 一、判斷題 (1)光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫光的折射。(×) (2)折射率跟折射角的正弦成正比。(×) (3)只要入射角足夠大，就能發(fā)生全反射。(×) (4)折射定律是托勒密發(fā)現(xiàn)的。(×) (5)若光從空氣中射入水中，它的傳播速度一定減小。(√) (6)已知介質(zhì)對某單色光的臨界角為C，則該介質(zhì)的折射率等于。(√) (7)密度大的介質(zhì)一定是光密介質(zhì)。(×) 二、選擇題 1.[教科版選修3－4 P65T1改編]如圖所示，MN是空氣與某種液體的分界面，一束

6、紅光由空氣射到分界面，一部分光被反射，一部分光進(jìn)入液體中。當(dāng)入射角是45°時(shí)，折射角為30°，則以下說法正確的是(　　) A．反射光線與折射光線的夾角為120° B．該液體對紅光的折射率為 C．該液體對紅光的全反射臨界角為45° D．當(dāng)紫光以同樣的入射角從空氣射到分界面時(shí)，折射角也是30° 解析：選C　反射角為45°，可求得反射光線與折射光線的夾角為105°，A錯(cuò)誤；該液體對紅光的折射率n＝＝，由sin C＝，可求得全反射臨界角為45°，B錯(cuò)誤，C正確；該液體對紫光的折射率更大，所以折射角小于30°，D錯(cuò)誤。 2．[人教版選修3－4 P53T1](多選)光從介質(zhì)a射向介質(zhì)b，如

7、果要在a、b介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，那么必須滿足的條件是(　　) A．a(chǎn)是光密介質(zhì)，b是光疏介質(zhì) B．光在介質(zhì)a中的速度必須大于在介質(zhì)b中的速度 C．光的入射角必須大于或等于臨界角 D．必須是單色光 解析：選AC　發(fā)生全反射必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：①光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，②入射角大于或等于臨界角。而光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的小，且對光的顏色，以及單色光、復(fù)合光沒有要求，故A、C正確，B、D錯(cuò)誤。 高考對本節(jié)內(nèi)容的考查，主要集中在折射定律和折射率的理解及應(yīng)用、光的全反射和色散現(xiàn)象，其中對色散現(xiàn)象的考查，主要以選擇題的形式呈現(xiàn)，難度一般，而對折射定律和折射率的理解

8、及應(yīng)用以及光的全反射的考查，主要以計(jì)算題的形式進(jìn)行綜合考查，難度較大。 考點(diǎn)一　折射定律和折射率的理解及應(yīng)用[師生共研類] 1．對折射率的理解 (1)折射率大小不僅反映了介質(zhì)對光的折射本領(lǐng)，也反映了光在介質(zhì)中傳播速度的大小，v＝。 (2)折射率的大小不僅與介質(zhì)本身有關(guān)，還與光的頻率有關(guān)。同一種介質(zhì)中，頻率越大的色光折射率越大，傳播速度越小。 (3)同一種色光，在不同介質(zhì)中雖然波速、波長不同，但頻率相同。 2．平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體(球)對光路的控制 平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體(球) 結(jié)構(gòu) 玻璃磚上下表面是平行的 橫截面為三角形的三棱鏡

9、橫截面是圓 對光線 的作用 通過平行玻璃磚的光線不改變傳播方向，但要發(fā)生側(cè)移 通過三棱鏡的光線經(jīng)兩次折射后，出射光線向棱鏡底面偏折 圓界面的法線是過圓心的直線，經(jīng)過兩次折射后向圓心偏折 應(yīng)用 測定玻璃的折射率 全反射棱鏡，改變光的傳播方向 改變光的傳播方向 [典例]　(2018·全國卷Ⅲ)如圖，某同學(xué)在一張水平放置的白紙上畫了一個(gè)小標(biāo)記“·”(圖中O點(diǎn))，然后用橫截面為等邊三角形ABC的三棱鏡壓在這個(gè)標(biāo)記上，小標(biāo)記位于AC邊上。D位于AB邊上，過D點(diǎn)做AC邊的垂線交AC于F。該同學(xué)在D點(diǎn)正上方向下順著直線DF的方向觀察，恰好可以看到小標(biāo)記的像；過O點(diǎn)做AB邊

10、的垂線交直線DF于E；DE＝2 cm，EF＝1 cm。求三棱鏡的折射率。(不考慮光線在三棱鏡中的反射) [解析]　如圖所示，過D點(diǎn)作AB邊的法線NN′，連接OD，則α、β分別為O點(diǎn)發(fā)出的光線在D點(diǎn)的入射角和折射角，根據(jù)折射定律有n＝ 由幾何關(guān)系可知 β＝60° θ＝30° 在△OEF中有 OE＝2EF＝2 cm 所以△OED為等腰三角形，可得 α＝30° 解得n＝。 [答案]　 應(yīng)用光的折射定律解題的一般思路 (1)根據(jù)入射角、折射角及反射角之間的關(guān)系，作出比較完整的光路圖。 (2)充分利用光路圖中的幾何關(guān)系，確定各角之間的聯(lián)系，根據(jù)折射定律求解相關(guān)的物理量：折射

11、角、折射率等。 (3)注意在折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。　 　　 [題點(diǎn)全練] 1．[折射率的計(jì)算] (2018·全國卷Ⅰ)如圖，△ABC為一玻璃三棱鏡的橫截面，∠A＝30°。一束紅光垂直AB邊射入，從AC邊上的D點(diǎn)射出，其折射角為60°，則玻璃對紅光的折射率為________。若改用藍(lán)光沿同一路徑入射，則光線在D點(diǎn)射出時(shí)的折射角________(填“小于”“等于”或“大于”)60°。 解析：根據(jù)光路的可逆性，在AC面由空氣射入玻璃三棱鏡，入射角為60°時(shí)，折射角為30°。 根據(jù)光的折射定律有n＝＝＝。 玻璃對藍(lán)光的折射率比對紅光的折射率大，沿同一路徑入射時(shí)，r角仍為30°不變，對

12、應(yīng)的i角變大，因此折射角大于60°。 答案：　大于 2．[折射定律的應(yīng)用] (2017·江蘇高考)人的眼球可簡化為如圖所示的模型。折射率相同、半徑不同的兩個(gè)球體共軸。平行光束寬度為D， 對稱地沿軸線方向射入半徑為R的小球，會聚在軸線上的P點(diǎn)。取球體的折射率為，且D＝R。求光線的會聚角α。(示意圖未按比例畫出) 解析：由幾何關(guān)系sin i＝， 解得i＝45° 則由折射定律＝n， 解得r＝30° 且i＝r＋，解得α＝30°。 答案：30° 3．[折射定律與反射定律的應(yīng)用] (2017·全國卷Ⅰ)如圖，一玻璃工件的上半部是半徑為R的半球體，O點(diǎn)為球心；下半部是半徑為R、高

13、為2R的圓柱體，圓柱體底面鍍有反射膜。有一平行于中心軸OC的光線從半球面射入，該光線與OC之間的距離為0.6R。已知最后從半球面射出的光線恰好與入射光線平行(不考慮多次反射)。求該玻璃的折射率。 解析：如圖，根據(jù)光路的對稱性和光路可逆性，與入射光線相對于OC軸對稱的出射光線一定與入射光線平行。這樣，從半球面射入的折射光線，將從圓柱體底面中心C點(diǎn)反射。設(shè)光線在半球面的入射角為i，折射角為r。由折射定律有 sin i＝nsin r① 由正弦定理有 ＝② 由幾何關(guān)系，入射點(diǎn)的法線與OC的夾角為i。由題設(shè)條件和幾何關(guān)系有 sin i＝③ 式中L是入射光線與OC的距離。 由②③式和題

14、給數(shù)據(jù)得 sin r＝④ 由①③④式和題給數(shù)據(jù)得 n＝≈1.43。 答案：1.43 考點(diǎn)二　光的全反射[師生共研類] 對全反射現(xiàn)象的四點(diǎn)提醒 (1)光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是相對而言的。同一種介質(zhì)，相對于其他不同的介質(zhì)，可能是光密介質(zhì)，也可能是光疏介質(zhì)。 (2)如果光線從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，則無論入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象。 (3)在光的反射和全反射現(xiàn)象中，均遵循光的反射定律，光路均是可逆的。 (4)當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，往往同時(shí)發(fā)生光的折射和反射現(xiàn)象，但在全反射現(xiàn)象中，只發(fā)生反射，不發(fā)生折射。 　[典例]　如圖為三棱柱形棱鏡的橫截面，該橫截面為直角邊為d＝1 m

15、的等腰直角三角形。一細(xì)光束由AB面斜射入，并逐漸調(diào)節(jié)入射角及入射點(diǎn)的位置，使細(xì)光束經(jīng)AB面折射后直接射到AC面，且當(dāng)細(xì)光束與AB面的夾角為θ＝30°時(shí)，該細(xì)光束恰好不能從AC面射出。求： (1)該棱鏡的折射率為多大？ (2)如果入射點(diǎn)到A點(diǎn)的距離為，光在真空中的傳播速度為c＝3.0×108 m/s，則光束從AB面?zhèn)鞑サ紸C面所用的時(shí)間應(yīng)為多少？(結(jié)果可保留根號) [解析]　(1)由題意作出光路圖，如圖所示 由幾何關(guān)系可知入射角為α＝90°－θ＝60° 由于在AC面發(fā)生了全反射，則n＝ 又因?yàn)棣拢茫? 在AB面上：n＝ 解得：n＝。 (2)由幾何關(guān)系可知OE＝，因?yàn)閟in

16、γ＝ 所以cos γ＝，則DE＝＝＝ m 光在棱鏡中的速度為v＝＝×108 m/s 則光束從AB面?zhèn)鞑サ紸C面所用的時(shí)間 t＝＝×10－8 s。 [答案]　(1)　(2)×10－8 s 求解全反射現(xiàn)象中光的傳播時(shí)間的技巧 (1)準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的臨界光線是解題的關(guān)鍵。 (2)光的傳播路程應(yīng)結(jié)合光路圖與幾何關(guān)系進(jìn)行確定，所以作光路圖時(shí)應(yīng)盡量與實(shí)際相符。 (3)光在同種均勻介質(zhì)中的傳播速度不發(fā)生變化，即v＝。 (4)利用t＝求解光的傳播時(shí)間?！?　　 [題點(diǎn)全練] 1.[全反射現(xiàn)象] 自行車上的紅色尾燈不僅是裝飾品，也是夜間騎車的安全指示燈，它能把來自后面的

17、光照反射回去。某種自行車尾燈可簡化為由許多整齊排列的等腰直角三棱鏡(折射率n＞)組成，棱鏡的橫截面如圖所示。一平行于橫截面的光線從O點(diǎn)垂直AB邊射入棱鏡，先后經(jīng)過AC邊和CB邊反射后，從AB邊的O′點(diǎn)射出，則出射光線是(　　) A．平行于AC邊的光線①　 B．平行于入射光線的光線② C．平行于CB邊的光線③ D．平行于AB邊的光線④ 答案：B 2．[應(yīng)用全反射原理求折射率] 利用插針法可以測量水的折射率，其做法是，取一厚度可以忽略不計(jì)的圓形薄木片，在它的圓心處垂直插入一根較長的大頭針，讓圓形薄木片浮在水面上，調(diào)整大頭針插入薄木片的深度，直至從水面上方的各個(gè)方向向水中觀察，都恰好看不到

18、水中的大頭針。 (1)需要測量的物理量有哪些？寫出物理符號和相應(yīng)的物理意義。 (2)根據(jù)(1)中所測量的物理量寫出水的折射率表達(dá)式。 解析：由題意知，大頭針的下端的光線在木板的邊緣處由水進(jìn)入空氣時(shí)，恰好發(fā)生全反射，此時(shí)入射角等于臨界角C，如圖所示。 根據(jù)n＝知， 若要求折射率，需測量薄木片的半徑R，大頭針在水面下的長度h， 代入得：n＝。 答案：(1)薄木片的半徑R，大頭針在水面下的長度h (2) 3．[折射定律和全反射規(guī)律的綜合應(yīng)用] (2017·全國卷Ⅲ)如圖，一半徑為R的玻璃半球，O點(diǎn)是半球的球心，虛線OO′表示光軸(過球心O與半球底面垂直的直線)。已知玻璃的折射率為

19、1.5。現(xiàn)有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光線能從球面射出(不考慮被半球的內(nèi)表面反射后的光線)。求： (1)從球面射出的光線對應(yīng)的入射光線與光軸距離的最大值； (2)距光軸的入射光線經(jīng)球面折射后與光軸的交點(diǎn)到O點(diǎn)的距離。 解析：(1)如圖，從底面上A處射入的光線，在球面上發(fā)生折射時(shí)的入射角為i，當(dāng)i等于全反射臨界角ic時(shí)，對應(yīng)入射光線到光軸的距離最大，設(shè)最大距離為l。 i＝ic① 設(shè)n是玻璃的折射率，由全反射臨界角的定義有nsin ic＝1② 由幾何關(guān)系有 sin i＝③ 聯(lián)立①②③式并利用題給條件，得 l＝R。④ (2)設(shè)與光軸相距的光線在球面B點(diǎn)發(fā)生折射時(shí)的

20、入射角和折射角分別為i1和r1，由折射定律有 nsin i1＝sin r1⑤ 設(shè)折射光線與光軸的交點(diǎn)為C，在△OBC中，由正弦定理有 ＝⑥ 由幾何關(guān)系有 ∠C＝r1－i1⑦ sin i1＝⑧ 聯(lián)立⑤⑥⑦⑧式及題給條件得 OC＝R≈2.74R。⑨ 答案：(1)R　(2)2.74R 考點(diǎn)三　光的色散現(xiàn)象[基礎(chǔ)自修類] [題點(diǎn)全練] 1．[三棱鏡的色散] 如圖所示，一束光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分為兩束單色光a、b，波長分別為λa、λb，該玻璃對單色光a、b的折射率分別為na、nb，則(　　) A．λa<λb，na>nb　　　　 B．λa>λb，na

21、aλb，na>nb 解析：選B　一束光經(jīng)過三棱鏡折射后，折射率小的光偏折較小，而折射率小的光波長較長。所以λa>λb，na