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7光的折射及全反射棱镜及色散
第2讲光的折射及全反射、棱镜及色散
【光的折射及全反射】
一、基本概念1.折射定律:
折射光线与入射光线分居法线两侧,且三线共面,入射角的正弦跟折射角的正弦
成正比。
2.折射率:
光由真空射入介质,如图n=sini/sinr=c/v任何介质的折射率都大于1。
3.临界角:
如图6所示,光从水射入空气,折射角变成90°时的入射角,叫做临界角C。
sinC=1n=vc。
4.全反射:
当光线从光密介质射到光疏介质的界面上时,如果入射角大于或等于临界角,就会发生折射光完全消失,只产生反射的现象,这种现象叫做全反射。
5.产生全反射的条件:
光从光密介质射向光疏介质,且入射角大于或等于临界角6.全发射的作用:
①光导纤维;②解释现象:
水中气泡看起来特别亮,海市蜃楼等。
例1.某水池实际深h,垂直水面往下看,其视深多少?
(设水的折射率为n)
例2.水、水晶、金刚石的折射率顺次是:
n1=1.33,n2=1.55,n3=2.42.那么,这三种介质对真空的临界
角C1、C2、C3的大小关系是()
A.C1>C2>C3B.C3>C2>C1
C.C2>C3>C1D.C2>C1>C3
例3.如图1所示为一立方体玻璃砖,折射率为2,放在空气中一束平行光从立方体的上表面斜射进来,入射角a<90D,然后它投射到左端侧面,则()
A.无论a角多大,该光线都能从这个侧面射出B.无论a角多大,该光线都不能从这个侧面射出C.只有a<45D时,该光线才不能从这个侧面射出D.只有a>45D时,该光线才不能从这个侧面射出
~第1页~
二、针对训练1.光纤通讯是一种现代化通讯手段,光导纤维传递光信号的物理原理是()A.光的折射;B.光的衍射C.光的干涉D.光的全反射
2.如图1所示,玻璃棱镜的截面为等腰三角形,顶角a为30°,一束光线垂直于ab面射入棱镜,又从ac面射出,出射光线与入射光线之间的夹角为30°,则此棱镜材料的折射率是()
A.
3
C.
3
C.3
D.3
2
2
3.一束光线从折射率为1.5的介质玻璃射向空气,在界面上的入射角为45°则图2四个光路图中,正确的是()
4.对水下的潜水员,下列说法正确的是()A.由于全反射,看不到水面上的全部景象;B.能看到水面的面积多大取决于人离水面的深度C.能看到水面上的全部景象D.潜水员看到岸边的树的位置比实际位置偏低
5.一束光从空气射向折射率为n=2的某种玻璃的表面,如图所示,i代表入射角,则()A.当i>45D时会发生全反射现象
B.无论入射角i是多大,折射角r都不会超过45°C.欲使折射角r=30°,应以i=45D的角度入射
D.当入射角i=arctan2时,反射光线跟折射光线恰好互相垂直
6.把用相同玻璃制成的厚度为d的正方体a和半径为d的半球体b放在报纸上,且让半球体的凸面向上,从正上方分别观察a、b中心处报纸上的字,下面的观察记录中正确的是()
A.a中的字比b中的字高B.b中的字比a中的字高C.一样高
D.a中的字较没有玻璃时的高,b中的字和没有玻璃时的一样高
~第2页~
向运动,则s经平面镜所成的像(A.以速度v沿x轴正方向运动B.以速度v沿y轴正方向运动
三、高考真题
1.(2004年全国理综,21)发出白光的细线光源ab长度为lo,竖直放置,上端a恰好在水面以下,如下图。
现考虑线光源ab发出的靠近水面法线(图中的虚线)的细光束经水面折射后所成的像,由于水对光有色散作用,若以l1表示红光成的像的长度,l2表示紫光成的像的长度,则()
A.l1 B.l1>l2>l0 C.l2>l1 >l0 D.l2 2.(2004年全国新课程,20)如图所示,S为一在xy平面内的点光源。 一平面镜垂直于xy平面放置,它与xy平面的交线为MN,MN与x轴的夹角θ=30D。 现保持S不动,令平面镜以速度v沿x轴正方 ) C.以速度12v沿像与S连线方向向S运动 D.以速度v沿像与S连线方向向S运动 3.(2002年新课程,17)如下图所示,一束光线从折射率为1.5的玻璃内射向空气,在界面上的放射角为45°,下面四个光路图中,正确的是() 4.(06北京卷·16)水的折射率为n,距水面深h处有一个点光源,岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径为() A.2htan(arcsin 1 ) B.2htan(arcsinn) n C.2htan(arccos 1 ) D.2hcot(arccosn) n ~第3页~ 【棱镜及色散】 一、知识分析1.棱镜: 横截面为三角形的三棱镜,常称为棱镜。 2.棱镜对光线的作用: 让一束单色光从空气射向玻璃棱镜的一个侧面,经过两次折射另一个侧面射出时,将向棱镜的底面方的偏折,如图1所示。 (1)两次折射后,后来的传播方向和原来传播方向的夹角θ即为偏折角。 (2)在入射角相同的情况下,偏折角度θ跟棱镜材料的折射率有关,折射率越大,偏折角越大,偏折角的大小还与入射角的大小有关。 (3)光线通过三棱镜后向底面偏折,通过三棱镜看物体,看到的是物体的虚像,向棱镜的顶角方向偏移,如图2所示。 3.全反射棱镜: 横截面是等腰直角三角形的棱镜。 它在光学仪器里,常用来代替平面镜,改变光的传播方向,其能量损失更小,效果更好。 如图3(a)、(b)、(c)为三种常见光学效果。 说明: 图(c)中,若入射光线和底面AC平行,则出射光线和底面AC也平行。 4.光的色散: 白光通过三棱镜后,在光屏上形成红橙黄绿蓝靛紫的彩色光带。 如图4所示,中间自上而下是橙、黄、绿、蓝色光。 5.折射率与光的频率的关系: 在同一介质中,频率越大的光折射率越当各种色光通过同一介质时,紫光折射率大,红光折射率小。 (我们平常说的介质折射率是对波长为0.5893μm的黄光来说的) 6.折射率与光速及波长的关系: 当光从真空进入介质时,频率不足,速度减小,波长减小,sinsinri=n=cv=λλo,在同一介质中,频率大的光,速度小,波长短。 ~第4页~ 二、典型例题 例1.abc为全反射棱镜,它的主截面是等直角三角形,如图5甲所示,一束白光垂直射到面上,在ab面上发生全反射,若光线入射点O的位保持不变,改变光线的入射方向(不考虑自bc面反射光线),则()A.使入射光线按图中所示顺时针方向逐渐偏转,,有色光射出ab面,则红光将首先射出。 B.使入射光线按图中所示顺时针方向逐渐偏转,如果有色光射出ab面,则紫光光将首先射出。 C.使入射光线按图中所示逆时针方向逐渐偏转,则红光将首先射出ab面;D.使人射光线按图中所示逆时针方向逐渐偏转,则紫光将首先射出ab面。 例2.如图所示,a、b两束不同的单色光平行地从空气射入水中,发生折射a>β则下述结论正确的是() A.水对光束a的折射率较大B.水中光束b的速度较小C.光束a的频率较大 D.若从水中射向空气,光束a的临界角较光束b的临界角大 三、针对训练 1.一束白光从顶角为θ的一边以比较大的入射角i射入并通过三棱镜后,在屏P上可得到彩色光带,如图7所示,在入射角i逐渐减小到零的过程中,假如屏上的彩郄光先后全部消失,则()A.红光最先消失,紫光最后消失 B.紫光最先消失,红光最后消失 C.紫光最先消失,黄光最后消失 D.红光最先消失,黄光最后消失 2.①由n=cv可知,在同一种介质中,红光的光速___________,紫光的光速 _______________,但各种颜色的光在在真空中光速都是3.00×108m/s。 ②由sinC=1n可知,在同一种介质中,红光发生全反射的临界角__________,紫光的临界角 ____________。 ③光是一种电磁波,当光从真空进入介质时,频率不变,速度减小,波长变短,由 sini =n= c =_________。 (λO、λ分别为光在真空中和介质中的波长)可知,在同一种介质中,频率 sinr v 较高的光速率较_________,波长较_____________。 ~第5页~ 3.紫光由折射率为n的棱镜进入空气,则下述结论正确的是()A.频率为原来的n倍,波长为原来的1/n。 B.波长为原来的n倍,波速为原来的n倍。 C.波速为原来的1/n,波长为原来的n倍。 D.频率为原来的1/n,波长为原来的n倍。 4.如图8所示OO'是半圆柱形玻璃的对称面与纸面的交线,在图内有两细束与OO'平行且等距的单色光A和B,从玻璃砖射出后相交于OO'下方的P点,由此可以得出的结 论是() A.A光的玻璃砖中的速度比B光的玻璃砖中的速度小B.玻璃砖对A光的波长比B光的波长短 C.B光的频率比A光的频率小 D.B光的频率比A光的频率小 5.如图9的三棱镜中,BC面镀有反射膜,一束白斜射入AB面,经棱镜后在屏幕的bc段形成彩成光带,则b点颜色是________色。 (屏幕距棱镜AC面较近且与AC面平行)。 6.某各餐光在传播过程中,下面说法正确的是()A.当它的频率不发生改变时,一定是在同种介质中传播;B.当它的速度由小变大时,一定是从光疏介质进入光密介质C.当它的速度由小变大时,一定是从密度大的介质射向密度小的介质;D.当它的波长由长变短时,一定是从光疏介质进入光密介质 7.平行厚玻璃板放在空气中,一束复色光从玻璃板下表面斜向上射入,经玻璃板后变成a、b两束单色光,如图10所示,比较a、b两束单色光,则() A.玻璃对a光的折射率较小B.a光的玻璃中的传播速度较小C.a的波长较长 D.a光光子的能量较大 8.如图11,半圆形玻璃砖abc,O为圆心,c为圆弧顶点,一束很细的平行白光束沿cO射入玻璃砖,保持光的方向不变,而将玻璃砖沿顺时针方向绕O点转动,则首先在界面ab上发生全反射的应是白光的() A.红光成价,因为玻璃对红光折射率较大 B.红光成份,因为玻璃对红光折射率较小 C.紫光成价,因为玻璃对紫光折射率较大 D.紫光成价,因为玻璃对紫光折射率较小 ~第6页~ 四、高考真题 1.(06重庆卷·20)△OMN为玻璃等腰三棱镜的横截面。 a、b两束可见单色光从空气垂直射入棱镜变色底面MN,在棱镜而面OM、ON上反射和折射的情况如图20图所示,由此可知()A.棱镜内a光的传播速度上b光的小 B.棱镜内a光的传播速度比b光的大C.a光的频率比b光的高 D.a光的波长比b光的长 2.如15,空气中两条光线,a和b从方框左侧平行射入,其框外光线如图1所示。 方框内的两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。 图2给出了两棱镜位置方式的示意图,其中能产生图1效果的是() 3.(2004年招,16)对于某单色光,玻璃的折射率比水的大,则此单色光在玻璃中传播时()A.其速度比在水中的大,其波长比在水中的长 B.其速度比在水中的大,其波长比在水中的短 C.其速度比在水中的小,其波长比在水中的短 D.其速度比在水中的小,其波长比在水中的长 4.(2004年江苏物理·9)如图所示,只含黄光和紫光的复色光束PO,沿半径方向射入空气中的玻璃半圆柱后,被分成两光束OA和OB沿如图所示方向射出,则() A.OA为黄光,OB为紫光 B.OA为紫光,OB为黄光C.OA为黄光,OB为复色光D.OA为紫光,OB为复色光 ~第7页~ 5.(09山东卷) (2)一束单色光由左侧射入装有清水的薄壁圆柱,图2为过轴线的截面图,调整入射角α,光线拾好在不和空气的界面上发生全反射,已知水的折射率为43,则α的值为多少。 α 图2 参考答案 【光的折射及全反射】 二、针对训练 三、高考真题 例1. h 1.D 1.D n 2.D 2.D 例2.A 3.A 3.B 例3.B 4.AB 4.A 5.BCD 6.AD 【棱镜及色散】 三、针对训练 二、典型例题 1.B 例1.A 2.①大;小②大;小③λ0/λ;小;小 例2.D 3.B 4.ABC 四、高考真题 5.红 6.CD 1.ABD 3.C 7.BD 2.B 4.C 8.C 5.sinα=37 ~第8页~
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- 折射 全反射 棱镜 色散