新教材适用2023-2024学年高中物理第四章光及其应用本章整合课件教科版选择性必修第一册

本章整合第四章内容索引0102知识网络系统构建重点题型归纳剖析知识网络系统构建光

光从光密介质射向光疏介质

入射角大于或等于临界角相同恒定相同明暗相间间隔均匀kλ(k=0,1,2,3,…)相间不均匀单缝衍射圆孔衍射泊松亮斑横波相干性好平行度好亮度高重点题型归纳剖析一、几何光学的基本原理及应用1.光的折射定律折射光线与入射光线、法线在同一平面内,折射光线、入射光线分居在法线两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。公式:n12=,其中θ1为入射光线与法线的夹角,θ2为折射光线与法线的夹角。2.光的全反射规律发生全反射的条件:(1)由光密介质射向光疏介质;3.光的可逆原理在反射、折射和直线传播中,光路都是可逆的。【例题1】

如图所示,一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a。棱镜材料的折射率为

。在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜。画出光路图,并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况)。答案:见解析

由已知条件及①式得θ2=30°②如果入射光线在法线的右侧,光路图如图(a)所示。设出射点为F,由θ2=30°得(a)如果入射光线在法线的左侧,光路图如图(b)所示。设折射光线与AB边的交点为D。由几何关系可知,在D点的入射角θ=60°④由⑤式和已知条件得C=45°⑥因此,光在D点发生全反射。设此光线的出射点为E,由几何关系得∠DEB=90°,BD=a-2AF⑦BE=BDsin

30°⑧(b)求解几何光学的题目首先要画出光路图,然后利用相应的公式结合几何知识分析边、角关系。而光从光密介质射到光疏介质时,首先要判断是否发生了全反射。【变式训练1】

如图所示,一个三棱镜的截面为等腰直角三角形ABC,腰长为a,∠A=90°。一束细光线沿此截面所在平面且平行于BC边的方向从真空射到AB边上的中点M,光在M点发生折射后射到AC边上,并刚好在AC边上发生全反射。已知真空中的光速为c,试求:(1)该棱镜材料的折射率n;(2)光从AB边到AC边的传播时间t。解析:(1)设光从AB边射入时入射角为i,折射角为α,射到AC边上N点时入射角为β,作出光路图如图所示。二、全反射和临界角的综合问题分析光的全反射、临界角问题的一般思路(1)确定光是由光疏介质进入光密介质,还是由光密介质进入光疏介质。(2)若光是由光密介质进入光疏介质,根据公式sinC=确定临界角。(3)画出恰好发生全反射的光路图,利用几何知识分析边、角关系,找出临界角。(4)以恰好发生全反射的光线为比较对象来判断其他光线是否发生全反射,从而画出其他光线的光路图。【例题2】

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?答案:(1)60°解析:(1)光线在BC面上发生折射,由折射定律有sin

i1=nsin

r1①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=r2②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nsin

i3=sin

r3③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nsin

i2≥nsin

C>nsin

i3⑦式中C是全反射临界角,满足nsin

C=1⑧【变式训练2】

如图所示,ABC为一透明材料制成的柱形光学元件的横截(1)从P点射出的光线的折射角;(2)AB和BC横截面上没有光线射出部分的总长度。答案:(1)60°解析:(1)设射向P点的光线入射角为θ1,折射角为θ2,如图所示。

三、测折射率的方法测折射率常见的方法有成像法、插针法、视深法及全反射法,不管哪种方法,其实质相同,由折射定律n=知,只要确定出入射角i及折射角r即可测出介质的折射率。1.成像法原理:利用水面的反射成像和水的折射成像。方法:如图(a)所示,在一盛满水的烧杯中,紧挨杯口竖直插一刻度尺,在刻度尺的对面观察水面,能同时看到刻度尺在水中的部分和露出水面部分的像,若从P点看到刻度尺在水下最低点的刻度B的像B'(折射成像)恰好跟刻度尺在水面上刻度A的像A'(反射成像)重合,读出AC、BC的长,量出烧杯内径(a)2.插针法原理:光的折射定律。方法:如图(b)所示,取一方木板,在板上画出互相垂直的两条线AB、MN,从它们的交点O处画直线OP(使∠PON<45°),在直线OP上的P、Q两点垂直插两枚大头针。把木板放入水中,使AB与水面相平,MN与水面垂直。在水面上观察,调整视线使P的像被Q的像挡住,再在木板S、T处各插一枚大头针,使S挡住Q、P的像,T挡住S及Q、P的像。从水中取出木板,画出直线ST,量出图(b)3.视深法

方法:在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆,在水面上方吊一根针,如图(c)所示。调节针的位置,直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合,测出针尖距水面的距离即为杯中水的视深h',再测出水的实际深度h,则水的折射率(c)4.全反射法原理:全反射现象。方法:在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光灯泡,如图(d)所示。在水面上观察,看到一圆形发光面,量出发光面直径D及水深h,则水的折射率(d)【例题3】

某游泳池底部粘有一与池边垂直的米尺,其零刻线恰好位于池底边缘,小明同学站在泳池边上,所处位置与米尺共线在同一竖直平面内,如图所示。小明到泳池边的距离等于其身体高度时,恰好能看到米尺的刻度值为2m,当池中注满水时,小明向后移动到距泳池边的距离为其身高的

倍时,恰好能看到米尺的刻度值为1.5m。若不计人眼到头顶的距离,求:(1)游泳池的深度;(2)泳池中水的折射率。答案:(1)2m解析:(1)设泳池未加水时小明恰好看到的刻度值为L,且L=2

m,其光路图如图所示根据三角形的相似关系可得,所看到的米尺的刻度和游泳池的深度相等,即H=L=2

m。(2)根据题意知游泳池充满水时,站在B点的人恰好看到的刻度值为L'=1.5

m设池中的光线与竖直方向的夹角为r,在空气中的光线与竖直方向的夹角为i,人的高度为h,光路图如图所示【变式训练3】

如图所示,平面镜M放置在某液体中,液体上方靠近液面处放置毛玻璃PQ,一束激光水平照射到M上O1点时,观察到在O1点正上方玻璃上O点有一个光点。使平面镜