2025年物理新高考备考2025年（版）物理《三维设计》一轮总复习（提升版）第1讲　光的折射　全反射

课标要求备考策略1.通过实验，理解光的折射定律。2.知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。3.观察光的干涉、衍射和偏振现象，了解这些现象产生的条件，知道其在生产生活中的应用。知道光是横波。4.通过实验，了解激光的特性。能举例说明激光技术在生产生活中的应用。实验十六：测量玻璃的折射率。实验十七：用双缝干涉测量光的波长光的折射、全反射是近几年高考的命题热点。以实际情景为背景命制的试题，重点考查学生的建模能力，灵活处理和应用有效信息的能力；理解光的折射、全反射规律，养成规范的作图习惯，有意识地解决相关实际问题第1讲光的折射全反射考点一折射定律的理解与应用1.折射定律（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）如图所示，表达式：sinθ1sinθ2＝n2.折射率（1）定义式：n＝sin（2）计算公式：n＝cv。因为v＜c，所以任何介质的折射率都大于1▢判断小题1.无论是光的折射，还是反射，光路都是可逆的。 （√）2.入射角越大，折射率越大。 （×）3.若光从空气射入水中，它的传播速度一定增大。（×）4.根据v＝cn可知，光在介质中的传播速度与介质的折射率成反比。（√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，即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.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。1.【三角形玻璃砖】一块玻璃砖的横截面为直角三角形，如图所示，∠A＝30°，∠ABC＝90°，直角边AB的长度为l。一束蓝光平行于AB从斜边AC上的P点射向玻璃砖，AB与BP夹角θ＝60°，光线经AC面折射后从BC面上的Q点射出。已知该玻璃砖对蓝光的折射率n＝3，真空中的光速为c，则蓝光从P点传播到Q点所用时间为（）A.l2c C.lc D.解析：A作出光路图如图所示，由几何关系可得，光在AC面上的入射角为θ＝60°根据折射定律得n＝sinθsin解得α＝30°根据几何关系可得PQ＝ABsin30°2cos30该蓝光在玻璃砖中的传播速度v＝cn＝3所以蓝光从P点传播到Q点所用时间t＝PQv＝l2c，2.【圆形玻璃砖】现要测量一玻璃圆盘的折射率，但是由于手边没有角度测量工具，一同学想到用表盘辅助测量。使一束单色光从11点处水平射入，发现从7点处水平射出，则玻璃折射率n为（）A.1.5 B.2C.2 D.3解析：D根据题意，由折射定律和反射定律画出光路图，如图所示，由几何关系可得，光线在11点处的入射角为60°，折射角为30°，则折射率为n＝sin60°sin30°＝3，3.【柱状玻璃砖】一个柱状玻璃砖的横截面如图所示，它可视为由半径为R的四分之一圆OPQ与直角三角形OPM组成，∠OPM＝90°，∠OMP＝60°。现有一束单色光从OM边上的S点以入射角i＝45°射入玻璃砖，折射光线与OQ平行，再经圆弧界面反射后从N点垂直边界OQ射出。已知光在真空中的速率为c，则 （）A.该单色光在玻璃砖材料中的折射率为3B.ON＝32C.OS＝63D.该单色光在玻璃砖材料中的传播时间为2+解析：C从N点将光线反向延长交圆弧于E点，连接SE，得到玻璃砖内的光路如图所示，折射光线与OQ平行，由几何关系可知折射角为r＝30°，则折射率为n＝sin45°sin30°＝2，故A错误；因OP、NE都垂直OQ，所以OP∥NE，则有α＝θ，α＝β，θ＋β＝90°，可得α＝β＝45°，则有ON＝Rsin45°＝22R，OS＝Rsin45°sin60°＝63R，故B错误，C正确；该单色光在玻璃砖材料中的传播距离为x＝2Rsin45°＋OSsin30°＝2＋66R，4.【液体中的折射】（2022·湖北高考14题）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，求（1）tanθ的值；（2）B位置到水面的距离H。答案：（1）43（2）解析：（1）由平抛运动的规律可知d＝v0t23d＝12tanθ＝gt解得tanθ＝43（2）由tanθ＝43可知θ＝53°，设从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°＝解得H＝4d考点二光的折射与全反射的综合问题1.定义：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到某一角度，折射光线消失，只剩下反射光线的现象。2.条件：①光从光密介质射向光疏介质；②入射角大于或等于临界角。3.临界角：折射角等于90°时的入射角。若光从介质（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＝sin90°sinC，得sinC＝1n。介质的折射率越大4.应用：光导纤维光导纤维的原理是利用光的全反射（如图）。▢判断小题1.光密介质和光疏介质是相对而言的。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.只要入射角足够大，就能发生全反射。 （×）3.光线从光疏介质进入光密介质，入射角大于等于临界角时发生全反射现象。（×）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或等于临界角，明确是否会发生全反射现象。（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，然后结合几何知识推断和求解相关问题。【例】电视机遥控器中有一个用透明介质封装的发光二极管，如图（a）所示，它发出红外光来控制电视机的各种功能。一兴趣小组找来一个用此种材料制成的半圆柱体，利用插针法测定该透明介质的折射率。实验中用A、B两个大头针确定入射光路，C、D两个大头针确定出射光路。P和Q分别是入射点和出射点，且AB⊥MN，如图（b）所示。测得半圆柱体的半径R＝5cm，OP＝1cm，DQ＝4cm，D到法线OQ的距离DG＝2cm。已知光速c＝3.0×108m/s。（1）求该透明介质的折射率和光在该介质中传播的速度大小；（2）实际测得封装二极管的半球直径d＝5mm，发光二极管的发光面是以EF为直径的发光圆盘，其圆心位于半球的球心点O，如图（c）所示。为确保发光面发出的红外光第一次到达半球面时都不发生全反射，发光二极管的发光面半径r最大应为多大？答案：（1）2.51.2×108m/s（2）1mm解析：（1）设∠DQG为i，∠OQP为r，由几何关系sini＝DGDQ，sinr＝由折射定律n＝sin代入数据解得n＝2.5由n＝cv可得v＝1.2×108m/s（2）设E点发出的光线ES、ET与法线的夹角分别为θ和α，ES⊥EF，光线ET为任一光线，过O点向ET作垂线OZ，设OZ为h，则sinα＝ℎR'，sinθ又h＜r，所以sinα＜sinθ可得α＜θ即光线在ES的入射角最大。分析可知，θ达到临界角时r最大，此时sinθ＝rR'解得r＝1mm。1.（2023·湖北高考6题）如图所示，楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°，OP边上的点光源S到顶点O的距离为d，垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°。不考虑多次反射，OQ边上有光射出部分的长度为 （）A.12d B.22C.d D.2d解析：C由几何知识知，入射光线SN的入射角为30°，折射角为45°，则楔形玻璃对该光源发出的光线的折射率n＝sin45°sin30°＝2，设光在楔形玻璃中发生全反射的临界角为C，则有sinC＝1n＝22，所以C＝45°，当光从S射到OQ边的入射角小于45°时光都可射出，则OQ边上有光射出部分的长度L＝2dsin30°tan45°＝d，2.（多选）（2024·九省联考河南）如图，将一平面镜置于某透明液体中，光线以入射角i＝45°进入液体，经平面镜反射后恰好不能从液面射出。此时，平面镜与水平面（液面）夹角为α，光线在平面镜上的入射角为β。已知该液体的折射率为2，下列说法正确的是（）A.β＝30°B.β＝37.5°C.若略微增大α，则光线可以从液面射出D.若略微减小i，则光线可以从液面射出解析：BD根据sinisinr＝n，解得光线在射入液面时的折射角为r＝30°，光线经平面镜反射后，有sinC＝1n，解得∠C＝45°，由几何关系可得2β＋（90°－r）＋（90°－C）＝180°，解得β＝37.5°，故A错误，B正确；若略微增大α，则光线在平面镜上的入射角β将变大，根据上面分析的各角度关系可知光线射出液面的入射角变大，将大于临界角，所以不可以从液面射出，故C错误；同理，若略微减小i，则r减小，导致光线在平面镜上的入射角β减小，可知光线射出液面的入射角变小，将小于临界角，可以从液面射出，故D考点三光路控制光的色散现象1.常见元件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面是圆类别项目平行玻璃砖三棱镜圆柱体（球）对光线的作用通过平行玻璃砖的光线不改变传播方向，但要发生侧移通过三棱镜的光线经两次折射后，出射光线向棱镜底边偏折圆界面的法线是过圆心的直线，光线经过两次折射后向圆心偏折应用测定玻璃的折射率全反射棱镜，改变光的传播方向改变光的传播方向2.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→小同一介质中的波长大→小通过同一棱镜的偏折角小→大同一介质中的临界角大→小同一装置的双缝干涉条纹间距大→小1.【全反射棱镜对光路的控制】自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来自后面的光照反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角三棱镜（折射率n＞2）组成，棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜，先后经过AC边和CB边反射后，从AB边的O'点射出，则出射光线是（）A.平行于AC边的光线①B.平行于入射光线的光线②C.平行于CB边的光线③D.平行于AB边的光线④解析：B光线从O点垂直AB边射入棱镜后经AC边和CB边反射，平行于入射光线从O'点射出，故B正确。2.【三棱镜的色散】（多选）如图所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带。下列说法中正确的是（）A.a侧是红光，b侧是紫光B.在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长C.三棱镜对a侧光的折射率大于对b侧光的折射率D.在三棱镜中a侧光的速率比b侧光小解析：BCD由题图可以看出，a侧光偏折得较厉害，三棱镜对a侧光的折射率较大，所以a侧光是紫光，波长较短，b侧光是红光，波长较长，A错误，B、C正确；又v＝cn，所以三棱镜中a侧光的传播速率小于b侧光的传播速率，D3.【平行玻璃砖的色散】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.紫光解析：D由题图可知，光束a的折射角小，根据n＝sinisinr知，光束a的折射率大于光束b的折射率，频率越大，折射率越大，且已知光束b是蓝光，选项中频率大于蓝光频率的只有紫光，故光束a可能是紫光蜃景与霓虹【典例1】（2024·江苏南京模拟）我国唐朝张志和在《玄真子》一书中指出：“背日喷乎水成虹霓之状”，宋朝蔡卞在《毛诗名物解》中同样提到：“以水喷日，自侧视之，则晕为红霓”。上面引述的意思是：背着太阳向空中喷水，从侧面观察，可以看到霓虹现象。虹是射向水珠的太阳光经过两次折射和一次反射发生色散形成的，水珠的形状可看作球形，下列关于虹的光路正确的是 （）答案：D解析：红光的折射率最小，折射程度最小，临界角最大，第一次折射时，红光在最上，反射时，红光在最下，第二次折射时，最下为红光，依次为红、黄、蓝、紫，故选D。【典例2】如图甲所示，夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰船舶、楼台、亭阁、集市等出现在远方的空中。如图乙所示，沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可即，这就是“蜃景”。下列有关蜃景的说法错误的是（）A.海面上，上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B.沙面上，上层空气的折射率比下层空气的折射率要小C.A是蜃景，B是景物D.C是蜃景，D是景物答案：B解析：海面上，下层空气的温度比上层的低，密度比上层的大，故海面附近的空气折射率从下到上逐渐减小，光线向上射，人眼逆着光有时会看到空中楼阁，这是蜃景；沙面上，下层空气的温度比上层的高，密度比上层的小，故沙漠地表附近的空气折射率从下到上逐渐增大，光向下射时，人眼逆着光有时会看到远处的水源、仙人掌，这是蜃景。故A、C、D正确，与题意不符；B错误，与题意相符。故选B。跟踪训练·巩固提升1.（2023·江苏高考5题）地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大，太阳光斜射向地面的过程中会发生弯曲。下列光路图中能描述该现象的是 （）解析：A地球表面附近空气的折射率随高度降低而增大，太阳光斜射向地面过程中，某分界面上折射角小于入射角，光线随高度降低，越来越靠近法线，A正确，B、C、D错误。2.（2024·江苏南京模拟）图为“水流导光”实验装置。长直开口透明塑料瓶内装有适量清水，在其底侧开一小孔，水从小孔流出形成弯曲不散开的水流，用细激光束透过塑料瓶水平射向该小孔，观察到激光束没有完全被限制在水流内传播，下列操作有助于激光束完全被限制在水流内传播的是 （）A.增大该激光的强度B.向瓶内再加适量清水C.改用频率更低的激光D.改用折射率更小的液体解析：B增大该激光的强度，激光的临界角不变，现象不会改变，故A错误；当向瓶内加一些清水，则从孔中射出的水流速度会变大，水流轨迹会变得平直，激光在水和空气界面处的入射角会变大，则会有大部分光在界面处发生全反射，这种现象相当于光导纤维的导光现象，故B正确；水从小孔流出形成弯曲的水束，激光没有完全被限制在水束内，是因为光从水射向空气的入射角小于临界角，出现折射现象，当换用频率更低的激光，临界角变大，更不容易发生全反射，将有更多激光不能被限制在水流内传播，故C错误；改用折射率更小的液体时，临界角变大，更不容易发生全反射，将有更多激光不能被限制在水流内传播，故D错误。3.（2024·山西太原模拟）如图所示，我国航天员在天宫课堂上演示了微重力环境下的神奇现象。液体呈球状，往其中央注入空气，可以形成一个同心球形气泡。假设液体球与气泡半径之比为5∶2，当细光束以37°的入射角射入液体球中，折射光线刚好与其内壁相切，sin37°取0.6。该液体的折射率为（）A.1.2B.1.3C.1.4 D.1.5解析：D作出光路图，如图所示，设液体球与气泡半径分别为5a、2a，该液体的折射率为n＝sin37°sinα＝0.624.（多选）一束光在光导纤维中传播的示意图如图所示，光导纤维对该束光的折射率为n，光导纤维的长度为L，图中该束光刚好在光导纤维与空气的交界面处发生全反射。已知空气对该束光的折射率为1，光在真空中传播的速度为c，下列说法正确的是（）A.光导纤维对该束光的折射率n＞1B.光导纤维对该束光的折射率n＜1C.该束光在光导纤维中传播的时间为nD.该束光在光导纤维中传播的时间为L解析：AC由于光发生全反射的条件之一是光由光密介质射入光疏介质，所以光导纤维的折射率比空气的折射率大，即n＞1，故A正确，B错误；该束光在交界面处发生全反射的临界角C的正弦值为sinC＝1n，该束光在光导纤维中的传播速度为v＝cn，v在沿光导纤维方向的分量为v1＝vsinC＝cn2，则该束光在光导纤维中传播的时间为t＝Lv1＝n25.（2024·山东济南模拟）如图甲所示，一细束白光通过某种特殊材料制成的三棱镜发生色散。图乙是其光路平面图，已知三棱镜的切面为等边三角形，白光由M点入射，入射角α＝60°，其中红光对应的该材料的折射率为n＝3，则红光通过棱镜后的出射光线与M点入射光线的夹角为 （）A.30° B.45°C.60° D.75°解析：C设光线射到左侧面时的折射角为β，则sinβ＝sinαn＝12，可知β＝30°，由几何关系可知，光线射到右侧面时的入射角为30°，则折射角为60°，由几何关系可知红光通过棱镜后的出射光线与M点入射光线的夹角为60°6.虹和霓是太阳光在水珠内分别经过一次和两次反射后出射形成的，可用白光照射玻璃球来说明。两束平行白光照射到透明玻璃球后，在水平的白色桌面上会形成MN和PQ两条彩色光带，光路如图所示。M、N、P、Q点的颜色分别为 （）A.紫、红、红、紫 B.红、紫、红、紫C.红、紫、紫、红 D.紫、红、紫、红解析：A由题图可知，射到M点的光线进入玻璃球时的折射角小于射到N点的光线进入玻璃球时的折射角，所以玻璃对射到M点的光的折射率大于玻璃对射到N点的光的折射率，故M点的颜色为紫色，N点的颜色为红色；同理可得P点的颜色为红色，Q点的颜色为紫色，所以A正确。7.（2024·江苏宿迁一模）如图为直角棱镜的横截面，图中∠bac＝90°，bc边距离顶点a足够远，现有某单色光以入射角i＝45°从ab边射入，在ac边上恰好发生全反射，则该单色光在此棱镜中的折射率为（）A.62 B.C.102 D.解析：A根据题意作出光路图如图，根据折射定律有n＝sinisinr，根据全反射临界角公式有n＝1sinC，根据几何关系有r＋C＝90°，解得n＝62，故A正确，8.（2024·湖北武汉模拟）因为飞机的发动机喷出的高温尾流会使得飞机周围的空气经过机翼后膨胀降温，在飞机表面形成一层水雾。阳光照射到水雾上，由于不同颜色的光折射率不同，就会形成七彩光芒。如图所示，将原理简化并作出光路图。已知a光与界面的夹角为30°。b光的折射率为2，b光与法线的夹角为45°，光在空气中的传播速度为c，水雾半球的半径为R。a光在水雾半球中的传播时间（）A.3Rc C.3R3c解析：A设入射角为θ，对b光，由折射定律可知nb＝sin45°sinθ，解得θ＝30°，对a光，由折射定律可知na＝sin60°sinθ＝3，设a光在水雾半球中传播的速度为va，由na＝cva可知va＝33c，则a光在水雾半球中的传播时间9.（2024·河南南阳模拟）如图所示，某透明材料的横截面是半径为R的半圆，AB为直径，O为圆心。P为圆周上的一点，P到AB的距离为32R；透明材料的折射率为62，底面AB用吸光材料涂黑。入射光平行于AB射向圆面上的P点，经两次折射后射出。已知真空中的光速为c，（1）出射光线与开始的入射光线间的夹角θ；（2）光通过透明材料的时间。答案：（1）30°（2）3解析：（1）设光在射入圆面时入射角为i，折射角为α，光路图如图所示，由几何关系可得sini＝32R解得i＝60°由折射定律得n＝sinisin解得α＝45°射出圆面时，入射角为β，折射角为r，有n＝sin由几何关系可得β＝α＝45°解得r＝60°由几何关系可得θ＝（i－α）＋（r－β）＝30°。（2）设光在透明材料中通过的距离为l，由几何关系可得l＝2R光在透明材料中的速度为v＝c光通过透明材料的时间t＝lv＝