江苏专用2022版高考物理一轮复习第14章光电磁波第1节光的折射全反射学案

江苏专用2022版高考物理一轮复习第14章光电磁波第1节光的折射全反射学案江苏专用2022版高考物理一轮复习第14章光电磁波第1节光的折射全反射学案PAGE25-江苏专用2022版高考物理一轮复习第14章光电磁波第1节光的折射全反射学案第1节光的折射全反射[高考备考指南］考点内容高考（江苏卷）四年命题情况对照分析20172018201920202021年1月24日适应性考试命题分析光的折射T12：光的折射定律、折射率T12：电磁波、双缝干涉T12：光的全反射、临界角T12：全反射、电磁波的应用、电磁波波长与频率的关系T1：光的偏振T2：光的折射高考对本章的考查以计算题为主,有时也会考选择和填空题。考查的重点是光的折射定律、光的全反射的综合。全反射光的干涉光的衍射光的偏振、激光电磁振荡电磁场与电磁波无线电波的发射与接收电磁波谱实验十九测定玻璃的折射率实验二十用双缝干涉实验测量光的波长核心素养物理观念：折射率、全反射、折射、偏振、电磁振荡。科学思维：光的折射定律。科学探究：测定玻璃的折射率、用双缝干涉测波长。科学态度与责任:电磁波的应用及危害。第1节光的折射全反射一、折射定律及折射率1．折射定律(如图所示)(1)内容：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。（2)表达式：eq\f（sinθ1,sinθ2)＝n12，式中n12是比例常数。（3）在光的折射现象中,光路是可逆的.2．折射率（1)物理意义:折射率仅反映介质的光学特性，折射率大，说明光从真空射入到该介质时偏折大，反之偏折小。(2）定义式：n＝eq\f（sinθ1，sinθ2），（3)计算公式：n＝eq\f(c，v)，因为v＜c,所以任何介质的折射率都大于1.二、光的全反射和光的色散1．全反射(1)条件：①光从光密介质射入光疏介质.②入射角大于或等于临界角.(2）临界角：折射角等于90°时的入射角，用C表示，sinC＝eq\f(1,n）.(3）应用：①全反射棱镜。②光导纤维,如图所示.2．光的色散（1)光的色散现象：含有多种颜色的光被分解为单色光的现象。(2)光谱:含有多种颜色的光被分解后，各种色光按其波长有序排列。（3）光的色散现象说明：①白光为复色光；②同一介质对不同色光的折射率不同，频率越大的色光折射率越大;③不同色光在同一介质中的传播速度不同，波长越短，波速越慢。1．思考辨析（正确的画“√"，错误的画“×”)（1)某种玻璃对蓝光的折射率比红光大，蓝光和红光以相同的入射角从空气斜射入该玻璃中,蓝光的折射角较大。 （×）（2)在水中，蓝光的传播速度大于红光的传播速度。 （×）（3）在潜水员看来,岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里. (√)（4)光从空气射入玻璃时,只要入射角足够大就可能发生全反射。 (×)(5)光纤通信利用了全反射的原理。 (√)（6)晚上，在池水中同一深度的两点光源分别发出红光和蓝光,蓝光光源看起来浅一些。 (√)2．下列光线由空气射入半圆形玻璃砖，或者由玻璃砖射入空气的光路图中，不正确的是（玻璃的折射率为1.5）(）ABCDA[光由空气进入玻璃时，折射角小于入射角，A图错误,B图正确；光由玻璃进入空气时，发生全反射的临界角sinC＝eq\f（1,n)＝eq\f（2,3)，sin45°＝eq\f(\r（2），2）＞eq\f（2，3），将发生全反射，C图正确；sin30°＝eq\f(1，2)＜eq\f（2，3),不会发生全反射，D图正确。］3．关于光的传播现象及应用,下列说法正确的是（)A．一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象B．光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率小C．海面上的海市蜃楼将呈现倒立的像，位置在实物的上方，又称上现蜃景D．一束色光从空气进入水中，波长将变短，色光的颜色也将发生变化A[一束白光通过三棱镜后形成了彩色光带是光的色散现象，A正确；由全反射的条件可知，内芯材料的折射率比外套材料的折射率要大，故B错误；海市蜃楼将呈现正立的像，位置在实物的上方,又称上现蜃景，C错误；色光进入水中，光的频率不变,颜色不变,D错误.］4．（2019·江苏高考）如图所示,某L形透明材料的折射率n＝2。现沿AB方向切去一角，AB与水平方向的夹角为θ。为使水平方向的光线射到AB面时不会射入空气,求θ的最大值。［解析］要使光线不会射入空气，即发生全反射，设临界角为C，即有：sinC＝eq\f（1，n)由几何关系得：C＋θ＝90°联立解得：θ＝60°。［答案］60°5．（2020·江苏七市二模）测量两面平行玻璃砖折射率的装置如图所示，带圆孔的遮光板N和光屏M平行放置，O点为圆孔的圆心，OO′连线垂直于光屏M，在O′O连线的延长线上放置一个点光源S，S到光屏M距离H＝20cm，测得光屏M上圆形光斑半径r1＝20cm.将厚度d＝10cm、足够长的玻璃砖贴着N板放置，测得光屏M上圆形光斑半径为r2＝15cm.（1)求玻璃砖的折射率n；（2)若将玻璃砖沿OO′连线向光屏M平移一小段距离，说明折射后落在光屏M上圆形光斑的大小有无变化.[解析］(1)设射入玻璃砖光线入射角的最大值为θ1,对应的折射角为θ2,则sinθ1＝eq\f(r1，\r(H2＋r\o\al（2,1)）），sinθ2＝eq\f(r2－\f(r1，2),\r(d2＋\b\lc\（\rc\)（\a\vs4\al\co1（r2－\f(r1,2)))\s\up12（2)）)由折射定律有n＝eq\f（sinθ1，sinθ2）解得n＝eq\f(\r（10），2）。(2)因为出射光线与入射光线平行，光通过玻璃砖后侧位移相同,光斑大小无变化。[答案]（1)eq\f（\r(10)，2）(2）光斑大小无变化折射定律和折射率的理解及应用eq\o([讲典例示法］）1．对折射率的理解（1)公式n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)中，不论光是从真空射入介质，还是从介质射入真空，θ1总是真空中的光线与法线间的夹角,θ2总是介质中的光线与法线间的夹角.（2)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在介质中传播速度的大小v＝eq\f(c,n）。（3）折射率与入射角的大小无关，与介质的密度无关,光密介质不是指密度大的介质。（4)折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关。同一种介质中，频率越大的色光折射率越大，传播速度越小。（5）同一种色光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率不变.2．光路的可逆性：在光的折射现象中，光路是可逆的。如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线发生折射.[典例示法］如图所示,在注满水的游泳池的池底有一点光源A,它到池边的水平距离为3。0m。从点光源A射向池边的光线AB与竖直方向的夹角恰好等于全反射的临界角,水的折射率为eq\f(4，3）。(1)求池内的水深；（2)一救生员坐在离池边不远处的高凳上，他的眼睛到池面的高度为2.0m。当他看到正前下方的点光源A时,他的眼睛所接收的光线与竖直方向的夹角恰好为45°。求救生员的眼睛到池边的水平距离(结果保留1位有效数字）。思路点拨：解此题的关键是根据题意画出光路图，并结合几何关系分析计算。[解析］(1）光由A射向B恰好发生全反射，光路如图甲所示。甲则sinθ＝eq\f(1，n)，得sinθ＝eq\f（3,4）又｜AO|＝3m,由几何关系可得:|AB|＝4m，|BO｜＝eq\r(7）m，所以水深eq\r(7）m。（2)光由A点射入救生员眼中光路图如图乙所示。乙由折射定律有n＝eq\f（sin45°，sinα）可知sinα＝eq\f(3\r(2),8)tanα＝eq\f(3,\r(23）)＝eq\f(3\r（23）,23）设｜BE|＝x,由几何关系得tanα＝eq\f（｜AQ|,｜QE|）＝eq\f(3m－x,\r（7)m）。代入数据得x＝eq\b\lc\（\rc\)（\a\vs4\al\co1(3－\f（3\r(161），23)））m≈1.3m，由几何关系得,救生员到池边的水平距离为｜BC|＝2m－x≈0。7m.［答案］(1）eq\r(7）m(2)0。7m解决光的折射问题的思路（1）根据题意画出正确的光路图。(2）利用几何关系确定光路中的边、角关系，要注意入射角、折射角均以法线为标准。(3）利用折射定律、折射率公式求解。（4）注意:在折射现象中光路是可逆的。［跟进训练］折射现象分析1．如图所示，MN是介质1和介质2的分界面，介质1、2的绝对折射率分别为n1、n2,一束细光束从介质1射向介质2中，测得θ1＝60°，θ2＝30°,根据你所学的光学知识判断下列说法不正确的是（)A．介质2相对介质1的相对折射率为eq\r(3）B．光在介质2中的传播速度小于光在介质1中的传播速度C．光从介质1进入介质2可能发生全反射现象D．光从介质1进入介质2，光的波长变短C[光从介质1射入介质2时，入射角与折射角的正弦之比叫作介质2相对介质1的相对折射率，所以有n21＝eq\f(sin60°,sin30°）＝eq\r(3），选项A正确；因介质2相对介质1的相对折射率为eq\r(3），可以得出介质2的绝对折射率大，因n＝eq\f(c,v），所以光在介质2中的传播速度小于光在介质1中的传播速度，选项B正确；光从光密介质射入光疏介质时，有可能发生全反射现象，选项C错误;光从介质1进入介质2，光的频率不变，速度变小，由v＝λf可知，光的波长变短，选项D正确。］折射率的计算2．如图所示，直角边AC长度为d的直角棱镜ABC置于桌面上,D为斜边BC的中点,桌面上的S点发射一条光线经D点折射后，垂直于AB边射出。已知SC＝CD,光线通过棱镜的时间t＝eq\f(\r(3）d，2c）,c为真空中光速，不考虑反射光线。求：（1)棱镜的折射率n。(2)入射光线与界面BC间的夹角。[解析］(1）光路如图所示，E是光线在AB边的射出点,设光线通过棱镜的速度为v，则DE＝eq\f（1，2)d，即vt＝eq\f(1，2）d结合n＝eq\f(c,v）解得：n＝eq\r(3)。（2）光线射到界面BC，设入射角为i,折射角为r,则有：i＝eq\f(π，2）－θr＝eq\f(π,2）－2θ根据折射定律有：n＝eq\f(sini，sinr）解得：θ＝30°。[答案］（1)eq\r(3)（2)30°光的折射、全反射的综合eq\o（[讲典例示法]）1．分析综合问题的基本思路(1)判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。（2)判断入射角是否大于等于临界角，明确是否发生全反射现象。(3）画出反射、折射或全反射的光路图，必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图，然后结合几何知识进行推断和求解相关问题。（4）折射率n是讨论折射和全反射问题的重要物理量，是联系各物理量的桥梁，应熟练掌握跟折射率有关的所有关系式.2．求光的传播时间的一般思路（1）全反射现象中,光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即v＝eq\f（c，n）。（2)全反射现象中，光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定。(3）利用t＝eq\f（l,v)求解光的传播时间。［典例示法］（2018·全国卷Ⅱ）如图所示，△ABC是一直角三棱镜的横截面,∠A＝90°，∠B＝60°.一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中点。不计多次反射。（1）求出射光相对于D点的入射光的偏角；（2）为实现上述光路,棱镜折射率的取值应在什么范围？思路点拨:（1）根据题设条件，判定光在传播时是否发生全反射,画出入射角等于临界角时的临界光路图.（2）运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等进行分析、判断、运算,解决问题。[解析］（1）光线在BC面上折射，由折射定律有sini1＝nsinr1①式中，n为棱镜的折射率，i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角。光线在AC面上发生全反射,由反射定律有i2＝r2 ②式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角。光线在AB面上发生折射，由折射定律有nsini3＝sinr3 ③式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角。由几何关系得i2＝r2＝60°,r1＝i3＝30° ④F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为δ＝（r1－i1）＋（180°－i2－r2)＋（r3－i3） ⑤由①②③④⑤式得δ＝60°。 ⑥（2)光线在AC面上发生全反射，光线在AB面上不发生全反射，有nsini2≥nsinC>nsini3 ⑦式中C是全反射临界角，满足nsinC＝1 ⑧由④⑦⑧式知，棱镜的折射率n的取值范围应为eq\f(2\r（3）,3)≤n〈2. ⑨［答案](1）60°（2）eq\f（2\r（3)，3)≤n<2求解全反射现象中光的传播时间的技巧(1）准确地判断出恰好发生全反射的临界光线是解题的关键。(2）光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定，所以作光路图时应尽量与实际相符.（3）光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化，即v＝eq\f（c,n）。(4）利用t＝eq\f（l,v）求解光的传播时间。[跟进训练］全反射现象的应用1．一光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，可看成一段直线,其内芯和外套的材料不同，光在内芯中传播，下列关于光导纤维的说法不正确的是（)A．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射B．内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与外界的界面上发生全反射C．波长越长的光在光纤中传播的速度越大D．若紫光以如图所示角度入射时，恰能在光纤中发生全反射，则改用红光以同样角度入射时,不能在光纤中发生全反射B[当内芯的折射率比外套的大时，光传播时在内芯与外套的界面上才能发生全反射，故选项A正确,B错误；波长越长的光，频率越小，介质对它的折射率n越小，根据公式v＝eq\f（c，n），光在光纤中传播的速度越大，故选项C正确;根据sinC＝eq\f（1，n）知,折射率越大，全反射临界角越小，红光的折射率小，则全反射临界角大，若紫光恰能发生全反射，则红光不能发生全反射，故选项D正确。］光的折射和全反射的综合计算2．（2020·唐山一模）如图所示，内径为R、外径为R′＝eq\r(2)R的环状玻璃砖的圆心为O，折射率为n＝eq\r（2)。一束平行于对称轴O′O的光线由A点进入玻璃砖，到达B点(未标出)刚好发生全反射。求：（1）玻璃砖的临界角；（2）A点处光线的入射角和折射角。［解析］（1）由题给条件画出光路图，如图所示，因在B点刚好发生全反射，则sinC＝eq\f（1,n）＝eq\f(1，\r(2））得C＝45°。(2)在△OAB中，OA＝eq\r（2）R，OB＝R，由正弦定律得eq\f(sin180°－C，\r(2）R）＝eq\f(sinr，R）得sinr＝eq\f（1，2)，r＝30°由eq\f（sini,sinr)＝n得i＝45°。［答案］（1)45°（2）45°30°3．如图为三棱柱形棱镜的横截面，该横截面为直角边为d＝1m的等腰直角三角形.一细光束由AB面斜射入，并逐渐调节入射角及入射点的位置,使细光束经AB面折射后直接射到AC面,且当细光束与AB面的夹角为θ＝30°时,该细光束恰好不能从AC面射出.求：(1）该棱镜的折射率为多大;(2）如果入射点到A点的距离为eq\f(d,\r(7）),光在真空中的传播速度为c＝3.0×108m/s，则光束从AB面传播到AC面所用的时间应为多少？（结果可保留根号)[解析］（1)由题意作出光路图,如图所示由几何关系可知入射角为α＝90°－θ＝60°由于在AC面发生了全反射,则n＝eq\f（1，sinγ)又因为β＋γ＝eq\f（π,2）在AB面上:n＝eq\f(sinα,sinβ）解得:n＝eq\f(\r(7),2）。(2）由几何关系可知OE＝eq\f（d，\r(7））,因为sinγ＝eq\f(2，\r（7)）所以cosγ＝eq\f(\r（3)，\r(7)),则DE＝eq\f(OE，cosγ）＝eq\f（d，\r（3))＝eq\f（\r（3），3)m光在棱镜中的速度为v＝eq\f(c，n)＝eq\f（6,\r(7)）×108m/s则光束从AB面传播到AC面所用的时间t＝eq\f(DE，v）＝eq\f（\r（21），18)×10－8s。[答案］(1)eq\f（\r（7)，2）(2）eq\f（\r(21）,18)×10－8s光的色散和光路控制eq\o（[依题组训练］)1．光的色散(1）成因：棱镜材料对不同色光的折射率不同，对红光的折射率最小，红光通过棱镜后的偏折程度最小，对紫光的折射率最大，紫光通过棱镜后的偏折程度最大,从而产生色散现象。(2)现象：一束白光通过三棱镜后在屏上会形成彩色光带.2．平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球）对光路的控制类别项目平行玻璃砖三棱镜圆柱体(球）结构玻璃砖上下表面是平行的横截面为三角形横截