新教材 人教版高中物理选择性必修第一册 第四章 光 知识点考点重点难点提炼汇总Word下载.docx

新教材 人教版高中物理选择性必修第一册 第四章 光 知识点考点重点难点提炼汇总Word下载.docx

《新教材 人教版高中物理选择性必修第一册 第四章 光 知识点考点重点难点提炼汇总Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新教材 人教版高中物理选择性必修第一册 第四章 光 知识点考点重点难点提炼汇总Word下载.docx（56页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

（2）光在反射时遵从反射定律．

2.光的折射

（1）折射现象

如图所示，当光线入射到两种介质的分界面上时，一部分光被反射回原来介质，即反射光线OB.另一部分光进入第2种介质，并改变了原来的传播方向，即光线OC，这种现象叫作光的折射现象，光线OC称为折射光线．

【说明】　光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化，但并非一定要变化，当光垂直界面入射时光的传播方向就不变化．

（2）折射定律：

折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，折射光线和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．即

＝n12，式中n12是比例常数．

3．光路可逆性

在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的．如果让光线逆着出射光线射到界面上，光线就会逆着原来的入射光线出射．

【例1】　如图所示，光线以入射角θ1从空气射向折射率n＝

的玻璃表面．

（1）当入射角θ1＝45°

时，反射光线与折射光线的夹角θ为多大？

（2）当入射角θ1为多大时，反射光线和折射光线垂直？

【审题指导】

1．如何确定θ1与θ1′的关系？

2．如何确定θ1与θ2的关系？

【解析】　

（1）设折射角为θ2，由n＝

，得sinθ2＝

＝

，所以θ2＝30°

.又反射角θ1′＝45°

，则反射光线与折射光线的夹角θ＝180°

－θ1′－θ2＝105°

（2）当反射光线和折射光线垂直时，

即θ1′＋θ2＝90°

，n＝

＝tanθ1＝

，

则入射角θ1＝arctan

【答案】　

（1）105°

（2）arctan

解决此类光路问题，关键是辨清“三线、两角、一界面”间的关系.注意以下几点：

（1）根据题意正确画出光路图.

（2）利用几何关系确定光路中的边、角关系，注意入射角、反射角、折射角的确定.（3）利用反射定律、折射定律求解.（4）注意光路的可逆性的利用.

【例2】　有一水池实际深度为3m，当垂直水面向下看时，水的视深为多少？

（已知水的折射率为

）

1．观察水中的物体会变浅，是物体真的变浅了吗？

2．观察水中的物体会变浅，实际看到的是物体的像，要作出物体的像，至少要用几条光线？

3．当角度很小时，这个角的正弦跟正切可以近似认为相等吗？

【解析】　设水池的实际深度为H，水的视深为h，从正上方沿竖直向下的方向观察池底S时，由于光的折射现象，其视深位置为S′处，观察光路如图所示．

由几何关系和折射定律可知：

，O1O2＝htani＝Htanγ，

考虑到从正上方观察时，角i和γ均很小，所以有：

sini≈tani，sinγ≈tanγ.

因此，h＝

m＝

m＝2.25m.

【答案】　2.25m

考点二　折射率

1.定义

光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n表示．

2．物理意义

折射率是反映介质折射光的本领大小的一个物理量．

3．折射率与光速的关系

某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝

4．折射率的大小特点

任何介质的折射率都大于1.

（1）由公式n＝

看，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率都大于1.

（2）由公式n＝

看，光从真空斜射向任何其他介质时，入射角都大于折射角．所以任何介质的折射率都大于1.

【说明】　折射率的大小由介质本身及入射光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关．

【例3】　一个圆柱形筒，直径为12cm，高为16cm.人眼在筒侧壁上方某处观察，所见筒侧壁的深度为9cm，当筒中装满液体时，则恰能看到筒侧壁的最低点，求：

（1）此液体的折射率；

（2）光在此液体中的传播速度．

题中“恰能看到”，表明人眼看到的是筒侧壁最低点发出的光线经界面折射后进入人眼的边界光线，由此可作出符合题意的光路图．在作图或分析计算时还可以由光路可逆原理，认为“由人眼发出的光线”折射后恰好到达筒侧壁最低点．

【解析】　

根据题中的条件作光路图如图所示．

（1）由图可知：

sinθ2＝

sinθ1＝sini＝

则此液体的折射率为：

（2）光在此液体中的传播速度：

v＝

m/s＝2.25×

108m/s.

【答案】　

（1）

（2）2.25×

108m/s

本题中知道人眼看到的是边界光线，知道人眼顺着折射光线的反向延长线看去是人眼所见的筒深9cm，这是正确作出光路图的依据.总之，审清题意画出光路图（必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图），是分析折射问题的关键.

考点三　测定玻璃的折射率

1．实验目的：

会用插针法测定玻璃的折射率，掌握光发生折射时，入射角和折射角的确定方法．

2．实验原理：

如图所示的是两面平行的玻璃砖对光路的侧移．用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O′B，确定出O′点，画出折射光线OO′，量出入射角θ1和折射角θ2，据n＝

计算出玻璃的折射率．

3．实验器材：

白纸、图钉、大头针、直尺、铅笔、量角器、平木板、长方形玻璃砖．

4．实验步骤

（1）将白纸用图钉固定在绘图板上．

（2）在白纸上画出一条直线aa′作为界面（线），过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线．

（3）把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一长边bb′.

（4）在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像．再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置．

（5）移去大头针和玻璃砖，过P3、P4作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向．

（6）连接OO′，入射角θ1＝∠AON，折射角θ2＝∠O′ON′.用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中．

（7）用上述方法分别求出入射角为30°

、45°

、60°

时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中．

（1）玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5cm以上.若宽度太小，则测量误差较大.

（2）入射角θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角也不宜太大.

（3）在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线.

（4）在以上操作过程中，玻璃砖与白纸相对位置不能变.

5．数据处理

（1）方法一：

平均值法

算出不同入射角时的比值

，最后求出在几次实验中所测

的平均值，即为玻璃砖的折射率．

（2）方法二：

图像法

以sinθ1值为横坐标、sinθ2值为纵坐标，建立直角坐标系，如右图所示．描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线．求解图线斜率k，则k＝

，故玻璃砖折射率n＝

（3）方法三：

作图法

在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，OO′（或OO′的延长线）交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图所示．由于sinθ1＝

，sinθ2＝

，且CO＝DO，所以折射率n1＝

【例4】　（多选）某同学用插针法测定玻璃砖的折射率，他的实验方法和操作步骤准确无误，但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面aa′与bb′不平行，则（　　）

A．入射光线与出射光线两条直线平行

B．入射光线与出射光线两条直线不平行

C．他测出的折射率偏大

D．他测出的折射率不受影响

1．测定玻璃折射率实验中，对玻璃砖有什么要求？

2．实验时为了减小误差，对入射角大小有什么要求？

3．本实验中，必须选用两侧面平行的玻璃砖吗？

4．可以用圆形的或三角形的玻璃砖做本实验吗？

【解析】　如图所示，在光线由aa′进入玻璃砖的偏折现象中，由折射定律知：

.在光线由bb′射出玻璃砖的偏折现象中，同理，n＝

.若aa′与bb′平行，则i＝β，因此，α＝r，此时入射光线AO与出射光线O′B平行．若aa′与bb′不平行，则i≠β，因此，α≠r.此时入射光线AO与出射光线O′B不平行，选项B正确．在具体测定折射率时，要求实验方法、光路均准确无误，折射率的测量值不受aa′与bb′是否平行的影响，选项D正确．故正确答案为B、D.

【答案】　BD

（1）入射光线与出射光线是否平行，取决于玻璃砖两界面aa′与bb′是否平行.

（2）利用插针法确定光的入射点和出射点，从而确定入射光线和折射光线.此方法适合应用于平行玻璃砖、棱镜、圆柱形玻璃体等.

测定折射率的几种常见方法

1．成像法

原理：

利用水面的反射成像和水的折射成像．

方法：

如图所示，在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点P看到直尺水下最低点的刻度B的像B′（折射成像）恰好跟直尺在水面上刻度A的像A′（反射成像）重合，读出AC、BC的长，量出烧杯内径d，即可求出水的折射率n＝

2．观察法

光的折射定律．

取一圆筒，放在水平桌面上，如图所示．从点A观察，调整视线恰好看到筒底边缘点B，慢慢向筒中注入清水至满，仍从点A观察，能看到筒底的点C，记录点C位置，量出筒高h，筒的内径d及C到筒另一边缘D的距离l，则水的折射率n＝d

/（l

）．

3．视深法

利用视深公式h′＝h/n.

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n＝h/h′.

4．光路可逆法

根据光路可逆和折射定律．

用如图所示的装置可以测定棱镜的折射率，其中ABC表示待测直角棱镜的横截面，棱镜的两个锐角α和β都是已知的，紧贴直角边AC的是一块平面镜，将一束光SO入射到棱镜的AB面上，适当调整光线SO的入射方向使AB面出射的光线与入射光线SO恰好重合，在这种情况下，仅需要测出一个物理量就可以算出该棱镜的折射率．

从AC面反射的光原路返回，由光路可逆，射到AC面上的光一定垂直AC面，则折射角等于α，只要能测出入射角或入射角的余角即可，所以只要测出∠SOB或入射角i，折射率n＝

或n＝

5．全反射法

全反射现象（后面将学到）．

在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示．在水面上观察，看到一圆的发光面，量出发光面直径D及水深h，则水的折射率n＝

/D.

6．插针法

插针法的作用是找出玻璃砖内的光路，其关键是确定入射点和出射点，而入射点和出射点是利用插针后确定的直线与界面相交而得到的，故实验的关键是插准大头针，画准玻璃砖边界线，而与所选玻璃砖两边平行与否无关．如用半圆形、圆形或三角形玻璃砖，均可测出其折射率，光路如图所示．

【典例】　一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）．现要测定此玻璃的折射率．给定的器材还有：

白纸、铅笔、大头针4枚（P1、P2、P3、P4）、带有刻度的直角三角板、量角器．

实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直．在纸上画出直线aa′和bb′，aa′表示镀银的玻璃表面，bb′表示另一表面，如图所示．然后，在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2（位置如图）．用P1、P2的连线表示入射光线．

（1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针P3、P4？

试在题图中标出P3、P4的位置；

（2）然后，移去玻璃砖与大头针．试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角θ1与折射角θ2.简要写出作图步骤；

（3）写出用θ1、θ2表示的折射率公式．

【解析】　

（1）在bb′一侧观察P1、P2（经过bb′折射aa′反射，再经bb′折射后）的像，在适当的位置插上P3，使得P3与P1、P2的像在一条直线上，即让P3挡住P1、P2的像；

再插上P4，让它挡住P2（或P1）的像和P3.P3、P4的位置如图．

（2）①过P1、P2作直线与bb′交于O；

②过P3、P4作直线与bb′交于O′；

③利用刻度尺找到OO′的中点M；

④过O点作bb′的垂线CD，过M点作bb′的垂线与aa′相交于N，如图所示，连接ON；

⑤∠P1OD＝θ1，∠CON＝θ2.

（3）n＝

【答案】　见解析

对于玻璃三棱镜折射率的测定，其方法与球形玻璃折射率的测定方法是一样的：

（1）在玻璃的一侧竖直插两枚大头针P1和P2.

（2）在另一侧再先后插两枚大头针P3和P4，使从另一侧隔着玻璃观察时，大头针P4、P3和P2、P1的像恰好在一条直线上．（3）移去玻璃和大头针后得到如图所示的光路图，可以按光路图确定入射光线AO，出射光线O′B，则OO′为折射光线．（4）用量角器量出i、r，即可求出折射率n＝

2　全反射

一、全反射

1．光密介质、光疏介质

对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质．

2．全反射及临界角的概念

（1）全反射：

光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会完全消失，只剩下反射光线的现象．

（2）临界角：

刚好发生全反射即折射角等于90°

时的入射角．用字母C表示，则sinC＝

3．全反射的条件

要发生全反射，必须同时具备两个条件：

（1）光从光密介质射入光疏介质．

（2）入射角等于或大于临界角．

二、全反射的应用

1．全反射棱镜

全反射棱镜的截面是等腰直角三角形，当光垂直于直角边射向棱镜时，光的传播方向改变了90°

角，当光垂直于斜边射向棱镜时，光的传播方向改变了180°

角．

2．光导纤维及其应用

（1）光导纤维对光的传导原理：

利用了光的全反射．

（2）光导纤维的构造：

光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到一百微米，由内芯和外套两层组成．内芯的折射率比

外套的折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射．

（3）光导纤维的应用——光纤通信

光纤通信的主要优点是传输容量大，此外光纤传输还有衰减小、抗干扰性及保密性强等多方面的优点．

考点一　全反射

只发生反射现象不发生折射现象．

1．光疏介质和光密介质

（1）对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质．光疏介质和光密介质是相对的．

光疏介质和光密介质是相对而言的．

（2）光疏介质和光密介质的比较

光疏介质

光密介质

折射率

小

大

光的传播速度

相对性

若n甲>

n乙，则甲是光密介质，乙是光疏介质；

若n甲<

n丙，则甲是光疏介质，丙是光密介质

折射角和入射

角的关系

光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角．光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角

（1）光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对意义.

（2）光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小.

2．全反射

（1）定义：

光由光密介质射向光疏介质时，若入射角增大到某一角度，使折射角达到90°

时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射．如下图所示．

（2）发生全反射的条件：

①光从光密介质射入光疏介质．

②入射角大于或等于临界角．

3．临界角

折射角为90°

时的入射角，称为临界角，用C表示．

当折射角为90°

时，恰好发生了全反射.实际上折射角为90°

是不存在的，但它是发生全反射的临界角度，因此在利用折射定律求临界角时，认为折射角为90°

（2）临界角C的表示式：

由折射定律知，光由某种介质射向真空（或空气）时，若刚好发生全反射，则n＝

.所以sinC＝

4．对全反射的理解

从能量角度看，光在两种介质分界面上发生反射和折射时，若不计介质的吸收，入射光能量会分配成反射光和折射光两部分，其中反射光能量随着入射角的增大而增强，折射光能量则随着入射角的增大而减弱．因此，当入射角越小时折射光越强，而反射光越弱．这正是我们看水底处物体时感到垂直下视时看得最清楚，而斜视时感到有些模糊的原因．当发生全反射时，折射光能量等于零，入射光能量完全转化为反射光的能量．

公式sinC＝

只适用于光由介质射向真空（或空气）时临界角的计算，即C为介质对真空（或空气）的临界角．

【例1】　（多选）如图所示，一束光由空气射到透明介质球上的A点，入射角为i，则（　　）

A．当i足够大时，在A点发生全反射

B．当i足够大时，光从球内向外射出时将发生全反射

C．无论i多大，在A点都不会发生全反射

D．无论i多大，光从球内向外射出时都不会发生全反射

1．光疏介质与光密介质是怎么定义的？

2．光从一种介质射向另一种介质时一定会发生全反射吗？

3．发生全反射要满足什么条件？

【解析】　光从光密介质射向光疏介质时才可能发生全反射，因此光在A点由空气进入介质球时，肯定不能发生全反射；

如图所示，对于球上任意一点，球面法线一定过圆心O，设r为光从A点射入时的折射角，i′为光从B点射出时的入射角．它们为等腰三角形的两底角，因此有i′＝r.根据折射定律n＝

得，sinr＝

，即随着i的增大，r增大，但显然r不能大于或等于临界角C，故i′也不可能大于或等于临界角，即光从B点射出时，也不可能发生全反射；

同理，光从B点反射，光线射向D点，从D点射出时也不会发生全反射．

【答案】　CD

【例2】　如下图所示，在厚度为d、折射率为n的大玻璃板的下表面，紧贴着一个半径为r的圆形发光面．为了从玻璃板的上方看不见圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一张黑纸片，求所贴黑纸片的最小面积．

―→

【解析】　如图所示，设A点为发光面的右边缘，由A点发出的光线射向O点恰好发生全反射，则此时的入射角θ为玻璃的临界角，在O点外侧玻璃的上表面不再有折射光线．B点为A点在玻璃上表面的对应点．那么r＋

即为玻璃上表面透光面圆的最大半径，即黑纸片的最小半径．

由临界角公式有：

sinθ＝

由几何关系有：

cotθ＝

解得

所以黑纸片的最小半径R＝r＋

黑纸片的最小面积S＝π

2.

【答案】　π

2

解决此类问题有以下规律：

（1）解决全反射问题的关键是准确熟练地作出光路图，根据临界角的条件，作出特殊光线，其他光线通过分析可求得.

（2）解决此类问题的一般顺序：

先根据题意在图中画出光路图，再根据临界角公式sinC＝

和折射率公式n＝

，结合几何知识求解.）

考点二　全反射现象的应用

1.全反射棱镜

横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜．它在光学仪器里，常用来代替平面镜，改变光的传播方向．

下表为光通过全反射棱镜时的几种方式.

2.“海市蜃楼”

由于空中大气的折射和全反射，会在空中出现“海市蜃楼”．在风平浪静的日子，站在海滨，有时可以看到远处的空中出现了高楼耸立、街道棋布、山峦重叠等景象．

（1）气候条件：

当大气层比较平静时，海面上空气的温度比空中低，空气的密度随温度的降低而增大，使空气的下层折射率比上层大（如图所示）．

（2）光路分析：

远处的景物发出的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较低的上一层的入射角越来越大，当入射角增大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较大的下一层．在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像，这就是“海市蜃楼”的景象．如下图甲所示．

3．“沙漠蜃景”

人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒景（如图乙所示），仿佛是从水面反射出来的一样．在炎热夏天的柏油马路上，有时也能看到上述现象．

方法指导

结论：

因为接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小．从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，经过多次折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射．

4．光导纤维

（1）光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1～100μm，由内芯和外套两层组成（如图所示），内芯折射率比外套大，光在内芯中传播时，在内芯与外套的界面发生全反射，有效减小了光的能量损失，极大提高了传播的质量，实现了远距离传送．因此，光信号能携带着数码信息、电视图像、声音信息等沿着光纤传播到很远的地方，实现光纤通信．

（2）光导纤维的折射率

设光导纤维的折射率为n，当入射光线入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示．则有：

sinC＝

，C＋θ2＝90°

由以上各式可得sinθ1＝

由图可知：

当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中的光线的入射角θ减小．当θ1＝90°

时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有sin90°

，解得n＝

.当光导纤维的折射率为

时，就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射．

由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维的折射率实际上要比

）大些.

【例3】　在光导纤维的端面上入射光满足什么条件，才能使光在光导纤维中不断发生全反射，从一端传到另一端？

（设光纤外层材料的折射率为1）

光导纤维利用了全反射原理，应从发生全反射的条件去分析计算．

【解析】　设当入射角为i，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：

，C＋r＝90°

由以上各式可得：

sini＝

i＝arcsin

可见i只要不大于arcsin

，光线就能连续不断地发生全反射，从光导纤维的一端传到另一端．

【答案】　入射角不大于arcsin

实际上光导纤维包有外套，由于外套折射率比真空的折射率大，实际入射角应比前面计算出的i值要小些.,光导纤维问题，应抓住光从端面折射，折射光到侧面发生全反射，画出光路图，找出各角之间的关系，问题就能得到解决.