新人教版15.1光的折射全反射学案

第十五章光第1讲光的折射全反射课程标准1.理解光的折射定律，会测量折射率．2．知道光的全反射现象及其产生条件．3．初步了解光纤的工作原理、应用．素养目标物理观念：知道光的折射率，折射定律，光的全反射、光导纤维．科学思维：从不同角度思考光的传播问题；利用折射定律解决实际问题，知道玻璃砖、棱镜等模型的应用．必备知识·自主落实一、光的折射定律折射率1．折射现象在折射现象中，光路是可逆的光从一种介质斜射入另一种介质时传播方向发生________的现象，如图所示(以光从空气射入水中为例)．2．折射定律(1)内容：折射光线与入射光线、法线处在________内，折射光线与入射光线分别位于法线的________；入射角的正弦与折射角的正弦成________比．(2)表达式：________＝n.3．折射率(1)折射率是衡量材料________性能的重要指标．(3)计算式：n＝________，因为v<c，所以任何介质的折射率都________1.二、全反射光导纤维光密、光疏介质是相对的1．定义：光从光密介质射入光疏介质，当入射角增大到某一角度时，折射光线将全部________，只剩下反射光线的现象．2．条件(1)光从光密介质射入________介质．(2)入射角________临界角．3．临界角(1)定义：折射角等于________时的入射角．(2)公式：sinC＝1n.若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为C，由n＝sinθ1sinθ2得(3)大小：介质的折射率n越大，发生全反射的临界角C越________．4．应用实例：光导纤维、全反射棱镜走进科技在信息技术迅猛发展的今天，光盘是存储信息的一种重要媒介．光盘上的信息通常是通过激光束来读取的．若红、蓝激光束不是垂直投射到盘面上，则光线在通过透明介质层时会发生偏折而改变行进的方向．如图所示．(1)图中光束①是红光，光束②是蓝光()(2)在光盘的透明介质层中，光束①比光束②传播速度更快()(3)若光束①、②先后通过同一小孔，则①衍射现象更明显()(4)若光束①、②从透明介质层以相同逐渐增大的入射角射向空气中，则①先发生全反射()关键能力·精准突破考点一折射定律折射率1．对折射率的理解(1)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领，也反映了光在该介质中传播速度的大小v＝cn(2)折射率的大小不仅与介质本身有关，还与光的频率有关．①同一种介质中，频率越大的光折射率越大，传播速度越小．②同一种光，在不同介质中虽然波速、波长不同，但频率相同．2．解决光的折射问题的三步骤(1)根据题目情境画出光路图．(2)画出介质分界面的法线，利用几何关系(往往寻找一个三角形)确定光路中的入射角、折射角．(3)根据折射定律n＝sinθ1sinθ2、折射率公式n＝cv例1[2022·湖北卷]如图所示，水族馆训练员在训练海豚时，将一发光小球高举在水面上方的A位置，海豚的眼睛在B位置，A位置和B位置的水平距离为d，A位置离水面的高度为23d.训练员将小球向左水平抛出，入水点在B位置的正上方，入水前瞬间速度方向与水面夹角为θ.小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达B位置，折射光线与水平方向的夹角也为θ已知水的折射率n＝43，(1)tanθ的值；(2)B位置到水面的距离H.[试答]针对训练1.[2022·浙江1月]如图所示，用激光笔照射半圆形玻璃砖圆心O点，发现有a、b、c、d四条细光束，其中d是光经折射和反射形成的．当入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度Δθ时，b、c、d也会随之转动，则()A．光束b顺时针旋转角度小于ΔθB．光束c逆时针旋转角度小于ΔθC．光束d顺时针旋转角度大于ΔθD．光束b、c之间的夹角减小了2Δθ2.[2023·山东日照一模]如图所示，透明玻璃体的上半部分是半球体，下半部分是圆柱体，半球体的半径为R，O为半球体的球心．圆柱体的底面半径和高也为R，现有一半径为32R的圆环形平行光垂直于圆柱体底面射向半球体，OO1为圆光环的中心轴线，所有光线经折射后恰好经过圆柱体下表面圆心O1点，光线从O1射出后在玻璃体下方的水平光屏上形成圆形亮环，光到圆柱体底面的距离为R，光在真空中的传播速度为c.(1)透明玻璃体的折射率；(2)光从入射点传播到光屏所用时间．考点二光的全反射1．解答全反射问题的技巧(1)解答全反射问题时，要抓住发生全反射的两个条件：①光必须从光密介质射入光疏介质；②入射角大于或等于临界角．(2)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时尽量与实际相符．2．求解光的折射、全反射问题的三点注意(1)明确哪种是光密介质、哪种是光疏介质．同一种介质，相对于其他不同的介质，可能是光密介质，也可能是光疏介质．(2)如果光线从光疏介质进入光密介质，则无论入射角多大，都不会发生全反射现象．(3)当光射到两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射．例2[2022·山东卷]柱状光学器件横截面如图所示，OP右侧是以O为圆心、半径为R的14圆，左侧是直角梯形，AP长为R，AC与CO夹角45°，AC中点为B.a、b两种频率的细激光束，垂直AB面入射，器件介质对a、b光的折射率分别为、1.40.保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在PM面全反射后，从OM面出射的光是(不考虑三次反射以后的光)(A．仅有a光 B．仅有b光C．a、b光都可以 D．a、b光都不可以[解题心得]针对训练3.[2022·浙江6月]如图所示，王亚平在天宫课堂上演示了水球光学实验，在失重环境下，往大水球中央注入空气，形成了一个空气泡，气泡看起来很明亮，其主要原因是()A．气泡表面有折射没有全反射B．光射入气泡衍射形成“亮斑”C．气泡表面有折射和全反射D．光射入气泡干涉形成“亮斑”4.[2022·广东卷]一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示．一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点．当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束．已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v.5．[2022·湖南卷]如图，某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成，其中屏障垂直于屏幕平行排列，可实现对像素单元可视角度θ的控制(可视角度θ定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍)．透明介质的折射率n＝2，屏障间隙L＝mm.发光像素单元紧贴屏下，位于相邻两屏障的正中间．不考虑光的衍射．(1)若把发光像素单元视为点光源，要求可视角度θ控制为60°，求屏障的高度d；(2)若屏障高度d＝mm，且发光像素单元的宽度不能忽略，求像素单元宽度x最小为多少时，其可视角度θ刚好被扩为180°(只要看到像素单元的任意一点，即视为能看到该像素单元)．考点三光的色散现象的分析1．光速与波长、频率的关系光速v与波长λ、频率f的关系式为v＝λf.光从一种介质进入另一种介质中时，频率不变，波长改变，光速改变．2．光的色散及成因(1)含有多种颜色的光被分解为单色光的现象称为光的色散．(2)含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质，由于介质对不同色光的折射率不同，各种色光的偏折程度不同，所以产生光的色散．3．各种色光的比较分析颜色红橙黄绿青蓝紫频率ν低→高同一介质中的折射率小→大同一介质中的速度大→小同一介质中的临界角大→小针对训练6.如图所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，变为a、b两束单色光．如果光束b是蓝光，则光束a可能是()A．红光 B．黄光C．绿光 D．紫光7．[2023·云南昆明五校联考]如图所示，泳池底部的半球形玻璃罩半径为r，内为空气，其球心处有一个点光源S.S发射的光通过罩内空气穿过厚度不计的玻璃罩，进入水中，最后有部分光线折射出水面，在水面形成圆形光斑．(1)水深h＝2m，水对光的折射率取43，计算光斑的直径d(2)若光源发出的是白光，考虑到色散，问水面的光斑边缘颜色为红色还是紫色？并说明理由．第十五章光第1讲光的折射全反射必备知识·自主落实一、1．改变2．(1)同一平面两侧正(2)3．(1)光学(3)cv二、1．消失2．(1)光疏(2)等于或大于3．(1)90°(3)小走进科技答案：(1)×(2)×(3)×(4)√关键能力·精准突破例1解析：(1)由平抛运动的规律可知d＝v0t，23d＝12gt2tanθ＝解得tanθ＝43(2)因tanθ＝43可知θ＝53°，从A点射到水面的光线的入射角为α，折射角为90°－θ＝37°，则由折射定律可知n＝sinαsin37°由几何关系可知Htan37°＋23dtan53°＝d，解得H＝4d答案：(1)43(2)1．解析：光束a入射到半圆形玻璃砖表面(直径)时，产生反射光束b和折射光束c，同时折射光束c在半圆形玻璃砖圆弧表面产生反射，一部分光线原路返回，并在直径界面处再次发生反射产生光束d(还有少部分沿光线a的路径反向发射出去)．当光束a逆时针转过小角度Δθ时，根据反射定律，光束b顺时针旋转角度等于Δθ，选项A错误；入射光线与折射光线的方向遵循折射定律，由于n＝sinαsinβ>1，故入射角α比折射角β变化快，因此光束c逆时针旋转角度小于Δθ，选项B正确；光束d是光束c反射后形成的，因此该光束会顺时针旋转一小于Δθ的角度，选项C错误；根据以上分析，光束b顺时针旋转、c逆时针旋转，因此两者之间的夹角减小，减小的角度小于2Δθ，选项答案：B2．解析：(1)作出光路图如图所示：由几何关系可得Rsinα＝32解得α＝60°由图可知α＝2β所以β＝30°由折射定律有n＝sinαsinβ(2)光在介质中的速度为v＝c光在透明玻璃体中的传播时间t1＝2Rcosβ由图及折射定律知光线从O1点出射后与竖直方向的夹角为α＝60°所以光从透明玻璃体出射后到光屏所用的时间t2＝2R则光从入射点到光屏所用的时间为t＝t1＋t2＝5Rc答案：(1)3(2)5R例2解析：根据题意作出光路图如图1所示，根据临界角sinC＝1n可知Ca<45°，Cb>45°，从图中可以看出两束光经过OC面反射以后均能射到PM面上，入射角在0°～45°范围内，所以只有a光才有可能在PM面上发生全反射，B、C项错误；分析易知，射到P点的a光线全反射到M点，入射角为45°，发生全反射不能从OM面射出，画出a光在PM面上恰好发生全反射的光线的光路图如图2所示，可知该光线经Q点全反射后射至OM面上E点，由几何关系可知在E点的入射角为2Ca－45°，小于Ca，即可以从E点射出，故A正确，D错误答案：A3．解析：光线从水进入气泡时，是从光密介质进入光疏介质，满足发生全反射的条件，即气泡看起来很明亮的原因是气泡表面有折射和全反射，A错误，C正确；该现象与干涉和衍射无关，B、D错误．答案：C4．解析：当光束与竖直方向的夹角为45°时，光束恰好不从液体表面射向空气，即光束刚好发生全反射，即临界角C＝45°则液体的折射率为n＝1代入数据得n＝2由公式n＝cv得激光在液体中的传播速度为v＝解得v＝2c2答案：25．解析：(1)发光像素单元发出的光射到屏障上被屏障吸收，射到屏障顶端的光射到透明介质和空气界面，折射后从界面射向空气，能够射出介质的光在界面的入射角正弦值sini＝L折射角为r＝θ2＝由折射定律有n＝sin代入数据解得d＝2515mm≈(2)sini′＝L+x折射角为r′＝θ2＝由折射定律有n＝sin代入数据解得x＝(233－)mm≈答案：(1)mm(2)mm6．解析：由题