高中物理选修3-4-光学部分

1、高中物理选修3-4光学局部光既具有波动性,又具有粒子性；光是一种电磁波.阳光能够照亮水中的鱼和水草,同时我们也能通过水面看到烈日的倒影；这说明光从空气射到水面时,一局部光射进水中,另一局部光被反射回到空气中.一般说来,光从一种介质射到它和另种分界面时,一局部光又回到这种介质中的现象叫做光的反射；而斜着射向界面的光进入第二种介质的现象,叫做光的折射.1 .光的反射定律：实验说明：光的反射遵循以下规律a、反射光线和入射光线、界面的法线在同一平面内,反射光线和入射光线分别们于法线的两侧.、b、反射角等于入射角.i=i在反射现象中,光路是可逆的.2 .光的折射定律：入射光线和法线的夹角i叫做入射角；折

2、射光线和法线的夹角r叫做折射角；反射光线和法线的夹角i叫做反射角.光的折射定律可这样表示：a、折射光线跟入射光线和界面的法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别们位于法线的两侧.b、入射角的正弦跟折射角的正弦之比是一个常量,即：sini/sinr=n在折射现象中,光路也是可逆的.3 .折射率：由折射定律可知：光从一种介质射入另一种介质时,尽管折射角的大小随着入射角的大小在变化,但是两个角的正弦之比是个常量,对于水、玻璃等各种介质都是这样,但是,对于不同介质,比值n的大小并不相同,例如,光从空气射入水时这个比值为1.33,从空气射入普通玻璃时,比值约为3.5。 因此,常量n是一个能够反映介质的光

3、学性质的物理量,我们把它叫做介质折射率.光在不同介质中的传播速度不同介质n越大,光传播速度越小.某种介质的折射率,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,即：n=c/v注意：1.真空中的折射率n=1空气中一般视为真空,其他介质的折射率n>1o2 .通过比拟入射角i和折射角r的大小判断入射介质和折射介质的折射率大小,当i>r时,n入<n折,反之当i<r时,n入>n折3 .折射率n越大,折射越明显,折射角越小.4 .全反射现象光疏媒质：两种媒质中折射率较小的媒质叫做光疏媒质.光密媒质：两种媒质中折射率较大的媒质叫做光密媒质.发生全反射的条件：1、光从光密媒

4、质射向光疏媒质；2、入射角大于或等于临界角,即i>C1、全反射：当光从光密媒质进入光疏媒质时,折射角大于入射角.当入射角增大到某一角度时,折射角等于900,此时,折射光完全消失,入射光全部反回原来的媒质中,这种现象叫做全反射.2、临界角：1、定义：光从光密媒质射向光疏媒质时,折射角等于90°时的入射角,叫做临界角.用字母C表示.临界,是发生全反射白临界状态.当光由角是指光由光密媒质射向光疏媒质时,发生全反射形象时的最小入射角光密媒质射入光疏媒质时：假设入射角i<C,那么不发生全反射,既有反射又有折射形象.假设入射角i>C,那么发生全反射形象.全反射白实例：1、光导纤

5、维一光纤通讯：一种利用光的全反射原理制成的能传导光的玻璃丝,由内芯和外套组成,直径只有几微米到100微米左右,内芯的折射率大于外套的折射率.当光线射到光导纤维的端面上时,光线就折射进入光导纤维内,经内芯与外套的界面发生屡次全反射后从光导纤维的另一端面射出,而不从外套散逸,故光能损耗极小.如果把光导纤维聚集成束使其两端纤维排列的相对位置相同,这样的纤维束就可以传送图像,如图所示.利用光导纤维可以弯曲传光,传像,可制作各种潜望镜,医用内窥镜等.2、海市蜃楼的成因和规律:夏天,在气压恒定的海面上,空气密度随高度增加而减小,对光的折射率也随之减小从而形成一具有折射率梯度的空气层.当光线通过此空气层时,

6、将发生偏转.如以下图所示,设一束从远处景物A发出的光线a以入射角I由折射率为n处射入空气层.由折射定律有：nsini=nisinr1nisinri=n2sinr2.2联立1、2式可得：nsini=n2sinr2依止匕类推：nsini=ncsinc,sinc=?sini.nc可见,当n、i一定时,从下层空气进入上层空气的入射角不断增大,当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时,就会全反射.人在C处逆着C光线看,可看到经全反射形成的倒立虚像；在B处逆着b光线看,也可看到经折射形成的正立虚像.总之.假设人在较高处,看到的是由折射形成的正立虚像；假设人在较低处,看到的蜃景是由折射和全反射形成的倒立虚

7、像.例题1.根据下面的漫画BDA.人看到的是鱼的实像B.人看到的是鱼的虚像C.鱼看到的是人的实像D.鱼看到的是人的虚像,判断以下说法正确的选项是,位置变浅了,位置变浅了,位置偏低些,位置偏高些解：此题考查折射成像.水面下的鱼发出的光线,经水面发生折射后出射角变大,远离了法线,光线进入人眼后,人眼逆着射来的光线寻找鱼,看到的是鱼的虚像,位置变浅了,光路图如下图.岸上的人发出的光线,经水面发生折射后水中的折射角变小,靠近了法线,光线进入鱼眼后,鱼眼逆着射来的光线寻找人,看到的是人的虚像,位置变高了,光路图如下图.B、D正确.例题2.光线由媒质A射向媒质B,入射角i小于折射角丫,由此可知CA媒质A是

8、光疏媒质；日光在媒质A中速度比在媒质B中大；水面C媒质A的折射率大于媒质B的折射率；D光从媒质A进入媒质B不可能发生全反射.例题3.一束单色光自真空射向折射率为2的介质的界面上形成反射光束和折射光束,DA、反射光和折射光的颜色相同,卜列说法正确的选项是:(A典型例题解析:B、反射光和折射光的光速相同,C、反射光和折射光的波长相同,D、反射光和折射光的频率相同.解：光的颜色和频率是光的固有属性,不会因反射和折射而改变.例题4.如下图,红光和紫光以不同的角度,沿半径方向射向半圆形玻璃砖的圆心它们的出射光线沿OP方向,那么以下说法中正确的选项是DA.AO是红光,穿过玻璃砖所需时间短B.AO是紫光,穿

9、过玻璃砖所需时间短C.AO是红光,穿过玻璃砖所需时间长D.AO是紫光,穿过玻璃砖所需时间长解：红光的波长为760nm,紫光的波长为400nm由vT可知V红V紫c由于nv(POOA;PO所以n红n紫,由折射时光路可逆原理,当光有空气射向半圆形玻璃砖时,OB,根据前面的知识点折射率n越大,折射越明显,折射角越小.所以OA为折射率大的紫光,且紫光的速度小,穿过相同的半径时需要的时间长.例题5.如图,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,玻璃折射率为J3,当入射角i60时,求反射光束1和透射光束2之间的夹角多大?解：反射角60°由

10、折射定律sininsinr解得折射角r=30°因此反射光束1和透射光束2之间的夹角180(i'r)90例题6.光线从空气射入nJ3的介质中,反射光线恰垂直于折射光线,那么入射角约为多少?解：根据光的反射定律有入射角夹角为90.,那么反射角3与折射角又根据折射率的定义式：i跟反射角3相等i=3,根据题意折射光线与反射光线垂直,即两光线的r互余,即3+r=90°,贝Ui+r=90°sin1nsinramtani-sini-tani.-1)COS1所以i=60例题7.光线以300入射角从玻璃中射到玻璃与空气的界面上,玻璃的折射率应为：它的反射光线与折射光线夹角为

11、900,那么这块A、0.866;B、1.732;C、1.414;D、1.500.座乞解：作出反射和折射的光路如下图,i为玻璃中的入射角,3为反射角,丫为空气中的折射角.由反射定律可知：i=3=30°,且由几何知识可得：丫+3=1800900=900,所以丫=9003=600.根据光路可逆原理,光从A0入射后从OC折射出,反过来从CO入射必'从OA折射,这时空气中的入射角为r,玻璃中折射角为i,故有n=sin丫/sini=sin600/sin300=i.732,所以B选项正确.例题8.某单色光在真空中的波长为入,波速为A、c/n;B、c/n入；c,它在折射率为n的介质中的速率为

12、：AC、nc；D、c.例题9.光线从空气射入甲介质中时,入射角角i'=60°,折射角r'=30°.解：设光在甲介质中传播的速度为根据折射率的定义式得：求光在甲、i=45°,折射角r=30°,光线从空气中射入乙介质中时,入射乙两种介质中的传播速度比.v甲,光在乙介质中传播的速度为v乙.sinisin450sinrsin30"根据折射率与光速的关系得:所以,己=一,得甲G一'卡乙口甲例题10.图示是一透明的圆柱体的横截面,其半径R=20cm,折射率为J3,AB是一条直径,今有一束平行光沿AB方向射向圆柱体,试求：光在圆柱体中

13、的传播速度；距离直线AB多远的入射光线,折射后恰经过解：光在圆柱体中的传播速度B点.BAfOIMIMvc.3108m/sn设光线PC经折射后经过B点,光路图如下图由折射定律有:厘nWsinDO*又由几何关系有:解得o60光线PC离直线AB的距离CD=Rsina=103cm例题11.一束光从空气射向折射率为n=J2的某种玻璃的外表,i代表入射角,那么BCD(A)(B)(C)当i>45°时,会发生全反射现象无论入射角i多大,折射角都不会超过45欲使折射角等于30°,应以i=45.的角度入射夕空气玻璃(D)当i=arctgJ2时,反射光线跟折射光线恰好互相垂例题12.光在真

14、空和某种介质的界面上的光路如下图,那么在这个界面上发生全反射的条件应是质到真空；入射角大于等于450;光在这种介质中的传播速度为解：由图可知i=45°,r=30n那么,isinc11sinrn、2045光由介例题13.光导纤维是一种比头发还细的玻璃丝,这种玻璃丝分为内外两层芯线和包层,芯线的折射率比包层的折射率大.海市蜃楼是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射而产生的,原因是海面上的下层空气的折射率比上层大；在沙漠中也会看到“海市蜃楼现象,原因是接近沙面的空气层比上层空气的折射率小.例题14.两种单色光由玻璃射向空气时发生了全反射,临界角分别为1、2,且1>2.n1、1分

15、别表示玻璃对这两种单色光的折射率,V1、V2分别表示这两种单色光在玻璃中的传播速度,那么(B)A.n1<n2,v1<v2B.n1<n2M>v2C.n1>n2,v1<v2D.n1>n2,v1>v2解：此题考查折射率与临界角、折射率与传播速度的关系1.根据：sin9=n1尸一sin.因1>2,故n1<n2,又cv=,n1<n2,所以v1>v2.只有B正确.n例题15.在“测定玻璃折射率的实验中,根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图线如下图.当光线是由空气射入玻璃砖时,那么1和2中为入射角的是；当光线由玻璃砖射入空气时,临界角的正弦值是；从图线可知玻璃砖的折射率是解:此题考查测定玻璃折射率实验数据的处理及临界角的概念sin1比2的正弦值大,所以i为入射角.由图线知玻璃砖的折射率为n=-=1.50