《2019-2020学年人教版物理选修3-4（浙江新高考专用版）讲义：第十三章 光 1 Word版含答案.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019-2020学年人教版物理选修3-4（浙江新高考专用版）讲义：第十三章 光 1 Word版含答案.pdf（20页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1 光的反射和折射 光的反射和折射 知识内容选考要求课时要求 光的反射和折射c 1.知道光在反射和折射时的光路可逆 2掌握光的反射和折射定律 3知道折射率的定义和表达式，以及折射率的决定因素. 一、反射定律和折射定律 1光的反射 (1)反射现象：光从第 1 种介质射到它与第 2 种介质的分界面时，一部分光会返回到第 1 种介 质的现象 (2)反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法 线的两侧；反射角等于入射角 (3)在光的反射现象中，光路是可逆的 2光的折射 (1)折射现象：光从第 1 种介质射到它与第 2 种介质的分界面时，一部分光会进入第 2 种介质
2、的现象 (2)折射定律(如图 1 所示) 图 1 折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，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正比，即n12(式中 n12是比例常数) sin 1 sin 2 (3)在光的折射现象中，光路是可逆的 二、折射率 1定义 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的绝 对折射率，简称折射率即 n. sin 1 sin 2 2折射率与光速的关系 某种介质的折射率， 等于光在真空中的传播速度 c 与光在这种介质中的传播速度 v 之比， 即 n . c v 3理解 由于 cv，故任何介质的折射率 n 都大于
3、(填“大于”“小于”或“等于”)1. 1判断下列说法的正误 (1)光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一定发生变化( ) (2)入射角增大为原来的 2 倍，折射角和反射角也都增大为原来的 2 倍( ) (3)介质的折射率越大，光在这种介质中传播速度越快( ) (4)由折射率的定义式 n得出，介质的折射率与入射角 1的正弦成正比，与折射角 2 sin 1 sin 2 的正弦成反比( ) 2.一束光从真空进入某介质，方向如图 2 所示，则该介质的折射率为_，若光在真空 中的传播速度为 c，则光在该介质中的传播速度为_ 图 2 答案 c2 2 2 一、反射定律和折射定律 在岸上往平静的水面观察，我
4、们既可以看见水中的鱼，又可以看见岸上树的倒影 (1)这两种现象产生的原因相同吗？ (2)有经验的渔民叉鱼时，不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到鱼的下方叉，这是为什 么？ 答案 (1)不相同看见水中的鱼是光的折射现象，看见岸上树的倒影是光的反射现象 (2)从鱼上反射的光线由水中进入空气时，在水面上发生折射，折射角大于入射角，折射光线 进入人眼，人眼会逆着折射光线的方向看去，就会觉得鱼变浅了，所以叉鱼时要对着所看到 的鱼的下方叉 1光的传播方向：当光从一种介质垂直进入另一种介质时，传播方向不变；斜射时，传播方 向改变 2光的传播速度：光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化 当光垂直
5、界面入射时，光的传播方向虽然不变，但光传播的速度发生变化 3入射角与折射角的大小关系 ： 当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时，入射角大 于折射角，当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时，入射角小于折射角 4反射定律和折射定律应用的步骤 (1)根据题意画出光路图 (2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、反射角、折射角均是光线与法 线的夹角 (3)利用反射定律、折射定律及几何规律列方程求解 例 1 光线以 60的入射角从空气射入玻璃中，折射光线与反射光线恰好垂直(真空中的光 速 c3.0108 m/s) (1)画出折射光路图； (2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播
6、速度； (3)当入射角变为 45时，折射角的正弦值为多大？ (4)当入射角增大或减小时，玻璃的折射率是否变化？ 答案 (1)见解析图 (2) 108 m/s33 (3) (4)不变 6 6 解析 (1)光路图如图所示，其中 AO 为入射光线，OB 为折射光线. (2)由题意，n，又 160，1290，得 n. sin 1 sin 2 3 设玻璃中光速为 v，由 n 得 v108 m/s. c v 3 (3)当入射角为 45时，介质折射率不变，由 n， sin 1 sin 2 得 sin 2. sin 1 n sin 45 3 6 6 (4)不变化，因为折射率是由介质和入射光频率共同决定的物理量
7、，与入射角的大小无关 例 2 如图 3 所示为某种透明介质的截面图，AOC 为等腰直角三角形，BC 为半径 R12 cm 的四分之一圆弧，AB 与水平屏幕 MN 垂直并接触于 A 点一束红光射向圆心 O，在 AB 分界面上的入射角 i45，结果在水平屏幕 MN 上出现两个亮斑已知该介质对红光的折射 率为 n，求两个亮斑与 A 点间的距离分别为多少 2 3 3 图 3 答案 见解析 解析 光路图如图所示，设折射光斑为 P1，折射角为 r， 根据折射定律得 n， sin r sin i 可得 sin r. 6 3 由几何关系可得：tan r， R AP1 解得 AP16 cm，2 设反射光斑为 P
8、2，由几何知识可得OAP2为等腰直角三角形，故 AP212 cm. 提示：入射角、折射角、反射角均以法线为标准确定，注意法线与界面的区别 二、折射率 如表所示是在探究光由真空射入某种透明介质发生折射的规律时得到的实验数据请在表格 基础上思考以下问题： 入射角 i()折射角 r() i r sin i sin r 106.71.491.49 2013.31.501.49 3019.61.531.49 4025.21.591.51 5030.71.631.50 6035.11.711.51 7038.61.811.50 8040.61.971.51 (1)随着入射角的增大，折射角怎样变化？ (2)
9、当入射角与折射角发生变化时，有没有保持不变的量(误差允许范围内)? 答案 (1)折射角增大 (2)入射角的正弦值和折射角的正弦值之比保持不变 1对折射率的理解 (1)折射率 n，1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；而 2为介质中的光线与法线 sin 1 sin 2 的夹角，也不一定为折射角 (2)折射率 n 是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入 射角、折射角的大小无关，与介质的密度没有必然联系 2折射率与光速的关系：nc v (1)光在介质中的传播速度 v 跟介质的折射率 n 有关，由于光在真空中的传播速度 c 大于光在 任何其他介质中的传播速度 v
10、，所以任何介质的折射率 n 都大于 1. (2)某种介质的折射率越大，光在该介质中的传播速度越小 例 3 一束单色光由空气进入水中，则该光在空气和水中传播时( ) A速度相同，波长相同 B速度不同，波长相同 C速度相同，频率相同 D速度不同，频率相同 答案 D 解析 同一单色光在不同的介质内传播过程中，光的频率不会发生改变；水的折射率大于空 气的折射率，由公式 v 可以判断，该单色光进入水中后传播速度减小，又 vf，该单色 c n 光进入水中后波长变短，故选项 D 正确 例 4 如图 4，某同学在一张水平放置的白纸上画了一个小标记“”(图中 O 点)，然后用横 截面为等边三角形 ABC 的三棱
11、镜压在这个标记上，小标记位于 AC 边上D 位于 AB 边上， 过 D 点作 AC 边的垂线交 AC 于 F.该同学在 D 点正上方向下顺着直线 DF 的方向观察，恰好 可以看到小标记的像；过 O 点作 AB 边的垂线交直线 DF 于 E；DE2 cm，EF1 cm.求三棱 镜的折射率(不考虑光线在三棱镜中的反射) 图 4 答案 3 解析 过 D 点作 AB 边的法线 NN，连接 OD，则ODN 为 O 点发出的光线在 D 点的 入射角；设该光线在 D 点的折射角为 ，如图所示根据折射定律有 n sin sin 式中 n 为三棱镜的折射率 由几何关系可知 60 EOF30 在OEF 中有 EF
12、OEsin EOF 由式和题给条件得 OE2 cm 根据题给条件可知，OED 为等腰三角形，有 30 由式得 n . 3 学科素养 例 4 这道高考题考查了折射定律、作图能力、光在三棱镜中的传播问题及相关 的知识点通过解题，学生回顾了折射定律，锻炼了作图能力，让物理概念和规律在头脑中 得到提炼和升华，体现了“物理观念”“科学思维”等学科素养 针对训练 两束平行的细激光束垂直于半圆柱玻璃的平面射到半圆柱玻璃上，如图 5 所 示已知其中一束光沿直线穿过玻璃，它的入射点是 O，另一束光的入射点为 A，穿过玻璃 后两条光线交于 P 点已知玻璃半圆截面的半径为 R，OA ，OPR.求玻璃材料的折射 R
13、2 3 率 图 5 答案 3 解析 画出光路图如图所示 其中一束光沿直线穿过玻璃，可知 O 点为圆心另一束光从 A 点沿直线进入玻璃，设在半圆 面上的入射点为 B， 入射角为 1， 折射角为 2， 由几何关系可得 ： sin 1 ， 解得 ： 130. OA OB 1 2 由几何关系可知：BPR，折射角为：260.由折射定律得玻璃材料的折射率为：n sin 2 sin 1 . sin 60 sin 30 3 1(光的折射现象)(多选)(2017苍南高二检测)根据图 6 中的漫画，判断下列说法中正确的是 ( ) 图 6 A人看到的是鱼的实像，位置变浅了些 B人看到的是鱼的虚像，位置变浅了些 C鱼
14、看到的是人的实像，位置偏低了些 D鱼看到的是人的虚像，位置偏高了些 答案 BD 解析 人看到的是鱼发出的光线经过水面折射后进入人眼，射入人眼的光线的反向延长线相 交后形成的虚像， 光线从水射向空气中时， 折射角大于入射角， 作出从鱼 S1发出的两条光线， 将折射光线反向延长，得到的交点为人所看到的鱼的虚像 S1，如图所示，可以看出虚像的 位置变浅了，B 正确，A 错误；同理，鱼看到的是人发出的光线经过水面折射形成的虚像， 根据光路可逆原理，鱼看到人的虚像的位置偏高了，D 正确，C 错误 2(折射率的理解)(多选)关于折射率，下列说法正确的是( ) A根据n12可知，介质的折射率与入射角的正弦成
15、正比 sin 1 sin 2 B根据n12可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比 sin 1 sin 2 C根据 n 可知，介质的折射率与光在该介质中的传播速度成反比 c v D同一频率的光由真空进入不同介质中时，折射率与光在介质中的波长成反比 答案 CD 解析 介质的折射率是一个反映介质光学性质的物理量，由介质本身和光的频率共同决定， 与入射角、折射角无关，故选项 A、B 均错误；由于真空中的光速 c 是定值，故折射率 n 与 传播速度 v 成反比，选项 C 正确；由于 vf，当频率 f 一定时，速度 v 与波长 成正比，又 折射率 n 与速度 v 成反比，故折射率 n 与波长 也成反比，选
16、项 D 正确 3 (折射定律的应用)(多选)(2018台州上学期期末)如图7所示， 一玻璃柱体的横截面为半圆形， 细的单色光束从空气射向柱体的 O 点(半圆的圆心)，产生反射光束 1 和透射光束 2.已知玻璃 折射率为，入射角为 45.现保持入射光不变，将半圆柱绕通过 O 点垂直于图面的轴线顺时3 针转过 15，如图中虚线所示，则( ) 图 7 A光束 1 转过 15 B光束 1 转过 30 C光束 2 转过的角度小于 15 D光束 2 转过的角度大于 15 答案 BC 4(折射率的计算)如图 8 所示为直角三棱镜的截面图，一条光线平行于 BC 边入射，经棱镜 折射后从 AC 边射出已知A60
17、，光在真空中的传播速度为 c.求： 图 8 (1)该棱镜材料的折射率； (2)光在棱镜中的传播速度 答案 (1) (2)c3 3 3 解析 (1)作出完整的光路如图所示 根据几何关系可知 B30， 所以 60. 根据折射定律有 n， sin sin sin sin 又因为 60，所以 . 又 60，故 30. 则 n. sin 60 sin 30 3 (2)光在棱镜中的传播速度 v c. c n 3 3 一、选择题 考点一 光的反射现象和折射现象 1 (2018海宁检测)假设地球表面不存在大气层， 那么人们观察到的日出时刻与实际存在大气 层的情况相比( ) A将提前 B将延后 C在某些地区将提
18、前，在另一些地区将延后 D不变 答案 B 解析 如图所示，假设地球表面不存在大气层，则地球上 M 处的人只能等到太阳运动到 S 处 才看见日出，而地球表面存在大气层时，太阳运动到 S处，阳光经大气层折射后射到 M 点， 故 M 处的人在太阳运动到 S处就能看见日出，不存在大气层时观察到的日出时刻与实际存 在大气层的情况相比将延后，B 正确 2.如图 1 所示是一束光从空气射向某介质在界面上发生反射和折射现象的光路图，下列判断 中正确的是( ) 图 1 AAO 是入射光线，OB 为反射光线，OC 为折射光线 BBO 是入射光线，OC 为反射光线，OA 为折射光线 CCO 是入射光线，OB 为反射
19、光线，OA 为折射光线 D条件不足，无法确定 答案 C 解析 法线与界面垂直， 根据反射角等于入射角， 折射光线和入射光线位于法线两侧， 可知 CO 为入射光线，OB 为反射光线，OA 为折射光线故 C 正确 3如图 2 所示，井口大小和深度均相同的两口井，一口是枯井(图甲)，一口是水井(图乙，水 面在井口之下)，两井底部各有一只青蛙，则( ) 图 2 A水井中的青蛙觉得井口大些，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星 B枯井中的青蛙觉得井口大些，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星 C水井中的青蛙觉得井口小些，晴天的夜晚，枯井中的青蛙能看到更多的星星 D两只青蛙觉得井口一样大，晴天的夜
20、晚，水井中的青蛙能看到更多的星星 答案 B 解析 由于井口边沿的约束，而不能看到更大的范围，据此作出边界光线如图所示 由图可看出 ，所以枯井中的青蛙觉得井口大些；，所以水井中的青蛙可看到更多的 星星，故选项 B 正确，A、C、D 错误 4(多选)(2018桐庐高二检测)如图 3 所示，把由同种材料(玻璃)制成的厚度为 d 的立方体 A 和半径为d的半球体B分别放在报纸上， 从正上方(对B来说是最高点)竖直向下分别观察A、 B 中心处报纸上的字，下列说法正确的是( ) 图 3 A看到 A 中的字比 B 中的字高 B看到 B 中的字比 A 中的字高 C看到 A、B 中的字一样高 DA 中的字比没有
21、玻璃时的高，B 中的字和没有玻璃时一样高 答案 AD 解析 如图所示，B 中心处的字反射的光线经半球体向外传播时，传播方向不变，故人看到 字的位置是字的真实位置 而放在 A 中心处的字经折射， 人看到的位置比真实位置要高， A、 D 正确 考点二 折射率及折射定律 5(多选)光从空气斜射进入介质中，比值常数，这个常数( ) sin 1 sin 2 A与介质有关 B与折射角的大小无关 C与入射角的大小无关 D与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比 答案 ABC 解析 介质的折射率与介质和入射光的频率有关，与入射角、折射角的大小均无关，选项 A、 B、C 正确，D 错误 6.(2018嘉兴一中
22、高二期中)如图 4 所示，一束光线通过一水平界面从某介质射入真空，已知 入射光线与界面的夹角为 60，折射光线与界面的夹角为 45，则该介质的折射率为( ) 图 4 A. B. C. D. 6 2 6 3 2 2 2 答案 C 7.(2018嘉兴高级中学高二第二学期期中)如图 5 所示， 玻璃棱镜的截面为等腰三角形， 顶角 a 为30.一束光线垂直于ab面射入棱镜， 又从ac面射出 出射光线与入射光线之间的夹角为30， 则此棱镜材料的折射率是( ) 图 5 A. B. C. D. 3 2 3 2 3 3 3 答案 D 解析 光线在 ac 界面上发生折射， 入射角为 30， 折射角为 60， 根
23、据光的折射定律可知 ： n ，故选 D. sin 60 sin 30 3 8.(多选)两束不同频率的单色光 a、b 从空气平行射入水中，发生了如图 6 所示的折射现象 ()下列结论中正确的是( ) 图 6 A在水中的传播速度，光束 a 比光束 b 大 B在水中的传播速度，光束 a 比光束 b 小 C水对光束 a 的折射率比水对光束 b 的折射率小 D水对光束 a 的折射率比水对光束 b 的折射率大 答案 AC 解析 由公式 n，可得折射率 navb，A sin 1 sin 2 c n 正确，B 错误 9.如图 7 所示，直角三棱镜 ABC 的一个侧面 BC 紧贴在平面镜上，BAC.从点光源 S
24、 发 出的细光束 SO 射到棱镜的另一侧面 AC 上，适当调整入射光 SO 的方向，当 SO 与 AC 成 角时，其折射光与镜面发生一次反射，从 AC 面射出后恰好与 SO 重合，则此棱镜的折射率为 ( ) 图 7 A. B. C. D. cos cos cos sin sin cos sin sin 答案 A 解析 由题意可知， 细光束 SO 经 AC 面折射后， 折射光线垂直于 BC， 经平面镜反射后， 从 AC 面射出来，则恰好与 SO 重合，故此棱镜的折射率 n. sin90 sin90 cos cos 10.现代高速公路上的标志牌都使用“回归反光膜”制成，夜间行车时，它能把车灯射出的
25、光 逆向反射，使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 8 所示，反光膜内均匀分布着直径为 10 m 的细玻璃珠，所用玻璃的折射率为，为使入射的3 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( ) 图 8 A15 B30 C45 D60 答案 D 解析 已知入射光线和出射光线平行，所以光在三个界面上改变了传播方向，光线在玻璃珠 的内表面反射时具有对称性，由此可作出光路图如图所示 由几何关系可知 i2r 根据折射定律有 n sin i sin r 3 由可得 i60. 二、非选择题 11.如图 9 所示是一个透明圆柱体的横截面，其
26、半径为 R，折射率是，AB 是一条直径今3 有一束光，平行 AB 方向射向圆柱体若有一条入射光线经折射后恰好经过 B 点 图 9 (1)请用直尺画出该入射光线经折射后到 B 点的光路图； (2)求这条入射光线到 AB 的距离 答案 (1)见解析图 (2)R 3 2 解析 (1)光路图如图所示 (2)设入射角为 ，折射角为 ，根据折射定律有 n， sin sin 3 由几何关系 2，可得 30，60， 所以 CDRsin R. 3 2 12.如图 10 所示，ABC 为直角三角形棱镜的横截面，ABC30.有一细光束 MN 射到 AC 面上， 且 MN 与 AC 面的夹角也为 30， 该光束从 N
27、 点进入棱镜后再经 BC 面反射， 最终从 AB 面上的 O 点射出，其出射光线 OP 与 BC 面平行 图 10 (1)作出棱镜内部的光路图(不必写出作图过程)； (2)求出此棱镜的折射率 答案 (1)见解析图 (2) 3 解析 (1)光路图如图所示： (2)根据折射定律 nsin 1 sin 2 nsin 4 sin 3 因为 1460，所以 32. 又由几何关系知 2360，所以 330. n. sin 4 sin 3 sin 60 sin 30 3 13.如图 11，一玻璃工件的上半部是半径为 R 的半球体，O 点为球心 ； 下半部是半径为 R、高 为 2R 的圆柱体，圆柱体底面镀有反
28、射膜有一平行于中心轴 OC 的光线从半球面射入，该光 线与 OC 之间的距离为 0.6R.已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行(不考虑多次 反射)求该玻璃的折射率 图 11 答案 1.43 解析 如图， 根据光路的对称性和可逆性可知，与入射光线相对于 OC 轴对称的出射光线一定与入射光线 平行故从半球面射入的折射光线，将从圆柱体底面中心 C 点反射 设光线在半球面的入射角为 i，折射角为 r.由折射定律有 sin insin r 由几何关系，入射点的法线与 OC 的夹角为 i. 由正弦定理有 sin r 2R sinir R 由题设条件和几何关系有 sin i L R 式中 L 是入射光线与 OC 间的距离，L0.6R.由式和题给数据得 sin r 6 205 由式和题给数据得 n1.43.2.05