1第第 1515 单元单元 光学光学 电磁波电磁波 相对论相对论2014 年2015 年2016 年2017 年高考热点统计 要求高考基础要求 及冷点统计 光的折射定 律34( 2)34( 2)34( 1)34( 2)34( 2)34( 2)34( 2)34( 2) 折射率、全 反射、光导 纤维、光的 干涉、衍射 和偏振现象34( 2)34( 2)34( 1)34( 2)34( 2)34( 2)34( 2)34( 2)电磁波的产 生、发射、 传播和接收、 电磁波谱34( 1)实验:用双缝 干涉测量光 的波长34( 1)34( 1)考情分析1.本章考查的热点有光的折射定律、折射率的计算、全反射的应 用等,题型有选择、填空、计算等,难度中等偏下,光的折射与全 反射的综合,以计算题的形式考查的居多。 2.对于光学部分,分析几何光学中的折射、全反射和临界角问题 时,应注意与实际应用的联系,作出正确的光路图; 3.电磁波和相对论部分,以考查基本概念及对规律的简单理解为 主,不可忽视任何一个知识点.狭义相对论的 基本假设、质 能关系() 实验:测定玻 璃的折射率电磁波的产生 包括了麦克斯 韦电磁波理论, 需要引起注意. 相对论在近些 年全国卷考查 中是冷点.第 37 讲 光的折射、全反射一、光的折射定律 1.折射现象:光从一种介质进入另一种介质时传播方向 的现象. 2.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 ;入射角的 正弦与 成正比. (2)表达式:=n12(1、2分别为入射角和折射角,n12是比例常数).二、折射率 1.定义:光从真空射入某种介质发生折射时, 与 之比,叫作这种介质的折射率. 2.定义式:n= .折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定. 3.计算公式:n= ,因为vn2,则折射率为n1的介质称为光密介质,折射率为n2的介质称为光疏介质. 4.物理意义:折射率是表示光从一种介质进入另一种介质时,发生偏折程度的物理量,与入射角1及折射角2 的大小无关. 三、全反射 1.定义:光从光密介质入射到光疏介质的分界面上时,当 增大到某一角度时,折射光线消失,只剩下反射 光线的现象. 2.条件:光从 介质射向 介质;入射角 临界角. 3.临界角:折射角等于 90时的入射角.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,则 sin C= . 4.应用:全反射棱镜、 . 四、光的色散21.光的色散:含有多种颜色的光被分解为 的现象叫作光的色散.白光通过三棱镜会分解为红、橙、 、绿、 、靛、紫七种单色光. 2.光谱:含有多种颜色的光被分解后,各种色光按其波长的 排列. 【思维辨析】 (1)无论是折射光路,还是全反射光路都是可逆的.( ) (2)光线从光疏介质进入光密介质,入射角等于临界角时发生全反射现象.( ) (3)若光从空气中射入水中,它的传播速度一定增大.( ) (4)在同一种介质中,光的频率越大,折射率越大.( ) (5)折射率跟折射角的正弦成正比.( ) (6)只要入射角足够大,就能发生全反射.( ) (7)折射定律是托勒密发现的.( ) (8)密度大的介质一定是光密介质.( )考点一 全反射现象的理解及应用 1.对全反射的理解 (1)光的反射和全反射现象均遵循光的反射定律,光路均是可逆的. (2)光线射向两种介质的界面时,往往同时发生折射和反射现象,但在全反射现象中只发生反射现象,不发生折射 现象,当折射角等于 90时,实际上就已经没有折射光线了. (3)从能量角度分析,光从光密介质射向光疏介质时,随着入射角增大,反射光的能量增强,折射光的能量减弱,当 入射角增大到临界角时,折射光的能量减小到零,发生全反射现象,折射光线消失. 2.解题思路 (1)画出恰好发生全反射的光路图; (2)利用几何关系找出临界角; (3)判断发生全反射的范围.1 如图 37-1 所示,玻璃球冠的折射率为,其底面镀银,底面的半径是球半径的;在过球心O且垂直于底面 的平面(纸面)内,有一与底面垂直的光线射到玻璃球冠上的M点,该光线的延长线恰好过底面边缘上的A点.求该 光线从球面射出的方向相对于其初始入射方向的偏角.图 37-1式题 1 2014全国卷 一厚度为h的大平板玻璃水平放置,其下表面贴有一半径为r的圆形发光面,在玻 璃板上表面放置一半径为R的圆纸片,圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上,已知圆纸片恰好能完全遮挡 住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射),求平板玻璃的折射率.3式题 2 2013全国卷 如图 37-2 所示,三棱镜的横截面为直角三角形ABC,A=30,B=60.一束平行 于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜,在AC边发生反射后从BC边的M点射出.若光线在P点的入射角和在 M点的折射角相等. (1)求三棱镜的折射率; (2)在三棱镜的AC边是否有光线透出?写出分析过程.(不考虑多次反射)图 37-2考点二 光的色散 1.光速与波长、频率的关系 光速v与波长、频率f的关系为v=f.光从一种介质进入另一种介质时,频率不变,波长改变,光速改变. 2.各种色光的比较4颜色红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 频率低高 同一介质中折射率小大 同一介质中速度大小 波长大小 临界角大小 通过棱镜的偏折角小大2 (多选) 2015全国卷 如图 37-3 所示,一束光沿半径方向射向一块半圆形玻璃砖,在玻璃砖底面上的入 射角为,经折射后射出a、b两束光线,则( )图 37-3 A.在玻璃中,a光的传播速度小于b光的传播速度 B.在真空中,a光的波长小于b光的波长 C.玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率 D.若改变光束的入射方向使角逐渐变大,则折射光线a首先消失 E.分别用a、b光在同一个双缝干涉实验装置上做实验,a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距 式题 2015四川卷 直线P1P2过均匀玻璃球球心O,细光束a、b平行且关于P1P2对称,由空气射入玻璃球的 光路如图 37-4 所示.a、b光相比( )图 37-4 A.玻璃对a光的折射率较大 B.玻璃对a光的临界角较小 C.b光在玻璃中的传播速度较小 D.b光在玻璃中的传播时间较短考点三 折射定律与全反射综合 求解光的折射与全反射的综合问题时,要抓住折射定律和发生全反射的条件这两个关键.基本思路如下: (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,对跟折射率有关的所有关系式应熟 练掌握. 3 2017全国卷 如图 37-5 所示,一玻璃工件的上半部是半径为R的半球体,O点为球心;下半部是半径为 R、高为 2R的圆柱体,圆柱体底面镀有反射膜.有一平行于中心轴OC的光线从半球面射入,该光线与OC之间的距 离为 0.6R.已知最后从半球面射出的光线恰好与入射光线平行(不考虑多次反射).求该玻璃的折射率.图 37-55式题 2017陕西五校三模 如图 37-6 所示为一巨大的玻璃容器,容器底部有一定的厚度,容器中装一定量的水,在容器底部有一单色点光源,已知水对该光的折射率为 ,玻璃对该光的折射率为 1.5,容器底部玻璃的厚度为 d,水的深度也为d.求: (1)该光在玻璃和水中传播的速度;(光在真空中的传播速度为c) (2)水面形成的光斑的面积.(仅考虑直接由光源发出的光线)图 37-66考点四 测定玻璃的折射率 考向一 实验原理与步骤 1.实验原理 实验原理图如图 37-7 所示,当光线AO1以一定的入射角1穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找出跟入射光线AO1对应的出射光线O2B,从而求出折射光线O1O2和折射角2,再根据n=算出玻璃的折射率.图 37-7 2.实验步骤 (1)用图钉把白纸固定在木板上. (2)在白纸上画一条直线aa,并取aa上的一点O1为入射点,作过O1点的法线NN. (3)画出线段AO1作为入射光线,并在AO1上插上P1、P2两根大头针. (4)在白纸上放上玻璃砖,使玻璃砖的一条长边与直线aa对齐,并画出另一条长边的对齐线bb. (5)眼睛在bb的一侧透过玻璃砖观察两根大头针并调整视线方向,使P1的像被P2的像挡住,然后在眼睛这一侧 插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像,再插上P4,使P4挡住P1、P2的像和P3. (6)移去玻璃砖,拔去大头针,由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线O2B及出射点O2,连接O1、O2得线段O1O2. (7)用量角器测量入射角1和折射角2,并查出其正弦值 sin 1和 sin 2.(8)改变入射角,重复实验,算出不同入射角时的,并取平均值.4 在“测定玻璃的折射率”实验中,某同学经正确操作插好了 4 枚大头针,如图 37-8 所示.图 37-8 (1)在图 37-9 中画出完整的光路图.图 37-9 (2)对你画出的光路图进行测量和计算,求得该玻璃砖的折射率n= (保留三位有效数字). 7(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象,某同学做了两次实验,经正确操作插好了 8 枚大头针,如图 37-10 所示.图中P1和P2是同一入射光线上的 2 枚大头针,其对应出射光线上的 2 枚大头针是P3和 (选填 “A”或“B”). 图 37-10 式题 某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率(如图 37-11 所示).实验的主要过程如下:图 37-11 A.把白纸用图钉固定在木板上,在白纸上作出直角坐标系xOy,在白纸上画一条线段AO表示入射光线. B.把半圆形玻璃砖M放在白纸上,使其底边aa与x轴重合. C.用一束平行于纸面的激光从y0 区域沿y轴负方向射向玻璃砖,并沿x轴方向调整玻璃砖的位置,使这束激光 从玻璃砖底面射出后,仍沿y轴负方向传播. D.在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2. E.在坐标系y0 方向侧移了一些,这将导致所测的玻璃折射 率与其真实值相比 (选填“偏大”“不变”或“偏小”). (2)若实验中该同学在y”“=”或“c 此光线在 N 点发生全反射,三棱镜的 AC 边没有光线透出. 考点二 例 2 ABD 解析 a光的折射角更大,则玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率,在玻璃中a光的传播速度 小于b光的传播速度,在真空中,a光的波长小于b光的波长,A、B 正确,C 错误;a光的折射率大于对b光的折射 率,a光的临界角小,改变光束的入射方向使角变大,则折射光线a首先消失,D 正确;a光的波长小于b光的波 长,通过同一双缝干涉实验装置,a光的干涉条纹间距小于b光的干涉条纹间距,E 错误.19变式题 C 解析 由a、b的光路图知b光在玻璃球中偏离入射方向的程度大,故b光折射率较大,由公式n=,sin C=知 A、B 错误,C 正确;b光在玻璃中的速度小,路程大,故b光在玻璃中传播的时间长,D 错误. 考点三 例 3 1.43 解析 如图所示,根据光路的对称性和光路可逆性,与入射光线相对于OC轴对称的出射光线一定与入射光线平 行.这样,从半球面射入的折射光线,将从圆柱体底面中心C点反射.设光线在半球面的入射角为i,折射角为r.由折射定律有 sin i=nsin r 由正弦定理有由几何关系,入射点的法线与OC的夹角为i.由题设条件和几何关系有sin i=式中L是入射光线与OC的距离.由式和题给数