折射与全反射

1、光学光学几何光学几何光学物理光学物理光学反射，反射，折射折射全反射全反射色散色散光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性干涉干涉 衍射衍射 偏振偏振光电效应光电效应1 1、光在、光在同一种均匀介质同一种均匀介质中沿直线传播中沿直线传播. .2 2、光能在真空中传播、光能在真空中传播, ,各种不同频率的光在真空中各种不同频率的光在真空中传播速度都相同传播速度都相同, ,都等于光速都等于光速. .smc/1038一、光的直线传播一、光的直线传播3 3、光在介质中传播的速度小于光速、光在介质中传播的速度小于光速、光的直线传播的应用、光的直线传播的应用: :小孔成像小孔成像；影子影子；日食日食；月食月

2、食等等ncv 光在介质中传播的速度与折射率光在介质中传播的速度与折射率n n有关有关( (即与介即与介质和光的频率有关质和光的频率有关) )注意：注意：所有几何光学中的光路都是可逆的所有几何光学中的光路都是可逆的. .二、光的反射二、光的反射1.1.定义：定义：2.2.光的反射定律：光的反射定律：3.3.反射的分类：镜面反射、漫反射反射的分类：镜面反射、漫反射三、平面镜成像的特点三、平面镜成像的特点等大对称、正立虚像、左右互换等大对称、正立虚像、左右互换反射光线的延长线交于像点反射光线的延长线交于像点例例、（、（0404全国）全国）图中图中M M是竖直放置的平面镜，镜离地是竖直放置的平面镜，镜

3、离地面的距离可调节。甲、乙二人站在镜前，乙离镜的面的距离可调节。甲、乙二人站在镜前，乙离镜的距离为甲离镜的距离的距离为甲离镜的距离的2 2倍，如图所示。二人略错开，倍，如图所示。二人略错开，以便甲能看到乙的像。以以便甲能看到乙的像。以l表示镜的长度，表示镜的长度，h h表示乙的表示乙的身高，为使甲能看到镜中乙的全身像，身高，为使甲能看到镜中乙的全身像，l的最小值为的最小值为（ ） A A B BC C D Dh hh31h21h43A例：例：内表面只反射而不吸收光的圆筒内有一半内表面只反射而不吸收光的圆筒内有一半径为径为R R的黑球，距球心为的黑球，距球心为2R2R处有一点光源处有一点光源S

4、S，球，球心心O O和光源和光源S S皆在圆筒轴线上，如图所示若使皆在圆筒轴线上，如图所示若使点光源向右半边发出的光最后全被黑球吸收，点光源向右半边发出的光最后全被黑球吸收，则筒的内半径则筒的内半径r r最大为多少？最大为多少？Rr332四、光的折射四、光的折射1.1.定义：光线从一种介质进入另一种介质时，定义：光线从一种介质进入另一种介质时， 发生改发生改变的现象叫做光的折射现象变的现象叫做光的折射现象. .2.2.折射定律：折射光线与折射定律：折射光线与 、 处在同一平面内；折处在同一平面内；折射光线与入射光线分别位于射光线与入射光线分别位于_的两侧；入射角的正弦与折的两侧；入射角的正弦与

5、折射角的正弦成射角的正弦成 . .传播方向传播方向入射光线入射光线法线法线法线法线正比正比3 3、折射率、折射率1 1）定义：）定义：光光从真空射入某种介质从真空射入某种介质中时，入射角和中时，入射角和折射角的正弦值之比，叫做折射角的正弦值之比，叫做这种介质的折射率这种介质的折射率sinisinrn=定义式：定义式：2 2）另一种定义方法：）另一种定义方法： 某介质的折射率，等于光在某介质的折射率，等于光在真空中的速度真空中的速度C C与光与光在在介质中的速度介质中的速度之比：之比：,(1)vnnC4 4、对折射率的几点说明、对折射率的几点说明1 1）折射率的大小由介质本身和光的频率共同决）折

6、射率的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角的大小无关定，与入射角、折射角的大小无关. .2 2）折射率反映介质对光的偏折能力的大小）折射率反映介质对光的偏折能力的大小折射定律的推广式：光从一种介质（折射定律的推广式：光从一种介质（n n1 1）到）到另一种介质另一种介质(n(n2 2),),折射定律可表示为：折射定律可表示为：12112221sinsinsinsinnnnn3 3）平行玻璃砖对光线的偏折平行玻璃砖对光线的偏折 光线通过玻璃砖后，出射光线方向与光线通过玻璃砖后，出射光线方向与入射光线平行，但有侧移。入射光线平行，但有侧移。i ir rx(x(侧移量侧移量) )dsi

7、n()cosdxirr sinsininr例例. . 一束单色光斜射到厚平板玻璃的一个表面上一束单色光斜射到厚平板玻璃的一个表面上, , 经两次折射后从玻璃板另一个表面射出经两次折射后从玻璃板另一个表面射出, , 出射光出射光线相对于入射光线侧移了一段距离线相对于入射光线侧移了一段距离. .在下列情况下在下列情况下, , 出射光线侧移距离最大的是出射光线侧移距离最大的是( )( )A. A. 红光以红光以3030的入射角入射的入射角入射B. B. 红光以红光以4545的入射角入射的入射角入射C. C. 紫光以紫光以3030的入射角入射的入射角入射D. D. 紫光以紫光以4545的入射角入射的入

8、射角入射D221sin 111cosxdini 平行玻璃砖对光线的偏折平行玻璃砖对光线的偏折例例：如图所示，一透明塑料棒的折射率为：如图所示，一透明塑料棒的折射率为n,n,光光线由棒的一端面射入线由棒的一端面射入, ,若要求所有的入射光都若要求所有的入射光都不会从上下侧面出射不会从上下侧面出射, ,对对n n有何要求有何要求? ?练习练习: :如图为一立方体玻璃砖如图为一立方体玻璃砖, ,折射率为折射率为 , ,放在空放在空气中一束平行光从立方体的上表面斜射进来气中一束平行光从立方体的上表面斜射进来, ,入射角入射角90900 0, ,然后它投射到左端侧面然后它投射到左端侧面, ,则则: :A

9、 A、无论、无论角多大，该光线都能从这个侧面射出角多大，该光线都能从这个侧面射出B B、无论、无论角多大，该光线都不能从这个侧面射出角多大，该光线都不能从这个侧面射出C C、只有、只有 4545450 0时，该光线才不能这个侧面射出时，该光线才不能这个侧面射出2B现象一现象一：“视深变浅视深变浅”，从空气中看水中物，从空气中看水中物体，物体比实际的深度要体，物体比实际的深度要浅浅垂直往下看时，垂直往下看时，h=hn空气空气水水界面界面A AAA现象二现象二：从水中看水面上的物体，物体比实：从水中看水面上的物体，物体比实际的高度要际的高度要高高；现象三、大气对光线的折射现象三、大气对光线的折射:

10、 :n大大n小小n中中三、全反射三、全反射当光当光从光密介质进入光疏介质从光密介质进入光疏介质时时, ,折射角大于入射角折射角大于入射角当当入射角增大到某一角度入射角增大到某一角度时时, ,折射角会达到折射角会达到90900 0, ,此时此时折射光完全消失，即全反射。折射光完全消失，即全反射。全反射临界角：全反射临界角：（1 1）光从光密介质射向光疏介质，当折射角变为）光从光密介质射向光疏介质，当折射角变为9090时的入射角叫临界角；时的入射角叫临界角；（2 2）光从折射率为）光从折射率为n n的介质射向真空时的介质射向真空时 临界角的计算公式临界角的计算公式: :1sinCn产生全反射的条件

11、：产生全反射的条件：（1 1）光必须从光密介质射向光疏介质；）光必须从光密介质射向光疏介质；（2 2）入射角必须等于或大于临界角）入射角必须等于或大于临界角 在两种介质的分界面上一般有反射还在两种介质的分界面上一般有反射还有折射，但一旦满足全反射的条件，则只有折射，但一旦满足全反射的条件，则只有反射没有折射有反射没有折射全反射的应用：全反射的应用：光导纤维光导纤维 实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，直径只有几微米到一百微米之间，n内芯内芯n外套外套,在在内芯和外套的界面上发生全反射，如图所示内芯和外套的界面上发生全反射，如

12、图所示设光以入射角设光以入射角 60600 0从空气入射到光导纤从空气入射到光导纤维的左端，内芯的折射率为维的左端，内芯的折射率为n1=1.73n1=1.73，外套的，外套的折射率为折射率为n2=1.5n2=1.5，且光导纤维的长度为，且光导纤维的长度为，问信号从一端到另一端的时间为多少？问信号从一端到另一端的时间为多少？( (光在光在真空中的速度为真空中的速度为) )例例: :如图所示，如图所示，ABCABC是由折射率为是由折射率为 的某种透的某种透明物质制成的直角三棱镜的横截面，明物质制成的直角三棱镜的横截面，A A=30=30, , 一束光线在纸面内从一束光线在纸面内从ABAB的中点的中

13、点O O射入棱镜，光线与射入棱镜，光线与ABAB面间的夹角为面间的夹角为. . 若不考虑光在若不考虑光在ABAB面和面和BCBC面上的反射面上的反射. .（1 1）若）若=45=45，请作出光路图并标明相应的，请作出光路图并标明相应的角度；角度； （2 2）要使射入）要使射入O O点的光线能从点的光线能从ACAC面射出，夹面射出，夹角角 (0 (0 9090) )应满足什么条件？应满足什么条件？ （结果可用反三角函数表示）（结果可用反三角函数表示）2【例例】如图】如图5 5所示，用折射率所示，用折射率n=n= 的玻璃做成一个外径为的玻璃做成一个外径为R R的半球的半球 形空心球壳形空心球壳.

14、.一束与一束与OOOO平行的平行的 平行光射向此半球的外表面，若平行光射向此半球的外表面，若 让一个半径为让一个半径为 的圆形遮光的圆形遮光 板的圆心过板的圆心过OOOO轴，并且垂直该轴放置轴，并且垂直该轴放置. .则球壳内部恰好没有光线射入，问：则球壳内部恰好没有光线射入，问： （1 1）临界光线射入球壳时的折射角）临界光线射入球壳时的折射角2 2为多大？为多大？ （2 2）球壳的内径）球壳的内径R R为多少？为多少？图图5 5R222R22例例一个均匀的透明圆柱体切成横截面如图所示的柱一个均匀的透明圆柱体切成横截面如图所示的柱体，一束平行光从空气垂直体，一束平行光从空气垂直ABAB平面射入

15、（不考虑二次平面射入（不考虑二次反射），则：反射），则：A AIIII部分光线一定能全部射出部分光线一定能全部射出B BIIII部分光线能否全部射出与透明体的折射率有关部分光线能否全部射出与透明体的折射率有关C CI I、IIIIII两部分光线一定能全部射出两部分光线一定能全部射出D DI I、IIIIII两部分光线能否全部射出与透明体的折射两部分光线能否全部射出与透明体的折射率有关率有关BC结论：光线从玻璃球一侧射入一定能从另一侧射出结论：光线从玻璃球一侧射入一定能从另一侧射出例例. 如图示，一束平行光照射在半径为如图示，一束平行光照射在半径为R的半圆柱形玻璃的半圆柱形玻璃砖的圆柱面上，光线

16、砖的圆柱面上，光线a是与一条半径重合的光线，该光线是与一条半径重合的光线，该光线照射到圆心照射到圆心O点与直径点与直径AB夹角为夹角为45，且刚好发生全反，且刚好发生全反射请作图并确定出光线能从射请作图并确定出光线能从AB面射出的范围面射出的范围 aOAB45解解: 画出光路图如图示画出光路图如图示:a左侧的光线在左侧的光线在AB面发生全面发生全反射，从圆弧面上射出；反射，从圆弧面上射出；aOABa右侧的光线在右侧的光线在AB面面不不发生全反射，直接从发生全反射，直接从AB面射出；面射出；aOABCb45跟圆弧面相切的光线跟圆弧面相切的光线b，入射角为，入射角为90 ，沿垂直，沿垂直AB面面的

17、方向射出。的方向射出。OC为光线射出的范围为光线射出的范围ROC22第三讲第三讲 折射中的的色散折射中的的色散i1r1r2i2四、光线通过棱镜四、光线通过棱镜（1 1）光线通过三棱镜向）光线通过三棱镜向底面偏折，通过三棱镜底面偏折，通过三棱镜所成的像向顶角偏移。所成的像向顶角偏移。（2 2）在入射角一定的情况下，在入射角一定的情况下，折射率越大，偏折角越大。折射率越大，偏折角越大。（3 3）白光通过三棱镜后产生色散现象。）白光通过三棱镜后产生色散现象。（4 4）全反射棱镜。）全反射棱镜。改变改变180180度度改变改变9090度度方向不改变方向不改变五、光的色散五、光的色散结论：频率大，折射率

18、大，偏转角大结论：频率大，折射率大，偏转角大白光白光例例1:1:如图所示，如图所示，OOOO是半圆柱形对称面与纸面的交是半圆柱形对称面与纸面的交线在图内有两束与线在图内有两束与OOOO平行且距平行且距OOOO距离相等的单距离相等的单色光色光A A和和B B，从玻璃砖射出后相交于，从玻璃砖射出后相交于OOOO的下方的的下方的P P点由此可以得出的结论是点由此可以得出的结论是 A AA A光在玻璃砖中的速度比光在玻璃砖中的速度比B B光在玻璃砖中的速度小光在玻璃砖中的速度小B B玻璃砖对玻璃砖对A A光的折射率比对光的折射率比对B B光的折射率小光的折射率小C C在空气中，在空气中，A A光的波长比光的波长比B B光的波长短光的波长短D DB B光光子的能量比光光子的能量比A A光光子的能量小光光子的能量小A C