第十六 光學

1.光學包括兩大部分內(nèi)容：幾何光學和物理光學．幾何光學是以光的直線傳播為基礎(chǔ)，研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律；物理光學是研究光的本性及規(guī)律的學科．
2.本重點考查光的折射定律，折射率，臨界角，光的干涉；其次考查余反射、光的衍射、光的偏振等基本規(guī)律、概念的理解和掌握，以及通過作光路圖，結(jié)合幾何關(guān)系的計算考查學生對基本規(guī)律的應用．
3.從今年的考試要求看，這一部分的試題難度會有所下降，因此對基本概念、規(guī)律的理解要透徹，尤其是一些常識性的知識點．同時，要注意該部分內(nèi)容與實際生產(chǎn)、生活的聯(lián)系．

第一時 光的折射 全反射

【要求】
1．了解光的折射定律、理解光的折射率。
2．了解光的全反射現(xiàn)象、光的色散現(xiàn)象。
【知識再現(xiàn)】
一、 光的折射與折射率
1．定義：光由一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)，在介面上光路發(fā)生改變的現(xiàn)象，叫光的折射．
2．折射定律：折射光線跟 光線和 在同一平面內(nèi)， 光線和 光線分別位于 的兩側(cè)， 的正弦跟的 正弦成比．
3．折射率
(1)折射率：光從 射入 發(fā)生折射時， 的正弦與 的正弦之比，叫作這種介質(zhì)的折射率．
(2)表達式 或 。
二、全反射與臨界角
1．全反射現(xiàn)象：光從 介質(zhì)人射到 介質(zhì)的分界面上時，折射光線消失，光全部反射回 介質(zhì)的現(xiàn)象．
2．臨界角：折射角等于900時的 叫臨界角．
3．發(fā)生全反射的條：
①光由 介質(zhì)射向 ；
②入射角 臨界角．
4．應用：光導纖維（如圖所示）：

三、棱鏡與光的色散
1．棱鏡：光線照射到棱鏡的一個側(cè)面上時，經(jīng)兩個側(cè)面折射后，出射光線向棱鏡的 偏折。物體經(jīng)棱鏡所成的虛像向 方向偏移。
2．白光通過棱鏡折射后會發(fā)生色散現(xiàn)象。單色光排列的順序 。光的色散表明：
①白光是 ；
②同一介質(zhì)對不同色光的 ，頻率越高光的折射率越大。

知識點一光的折射與折射率
1．折射率反映了材料折光性能的強弱，同一色光在同種介質(zhì)中折射率相同。
2．折射率等于光線從真空斜射入介質(zhì)，入射角正弦與折射角正弦的比值，
3．折射率等于光在真空中的速度與在介質(zhì)中的速度之比，n=c/v
4．任何材料的折射率都大于1。
思考：入入射角為00，折射角也是00，折射光線沒有偏折就不是折射現(xiàn)象嗎？

【應用1】（徐州市2008高三摸底考試）如圖所示，某透明液體深1m，一束與水平面成300角的光線照向該液體，進入該液體的光線與水平面的夾角為450。試求：①該液體的折射率；
②進入液面的光線經(jīng)多長時間可以照到底面。
導示:①因為入射角
折射角
所以
②光在液體中傳播的速度時:位移 m
速度 m/s 所以: s
知識點二全反射和臨界角
1．光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)：兩種介質(zhì)比較，折射率小的介質(zhì)叫 介質(zhì)，折射率大的介質(zhì)叫 介質(zhì)；“光疏”和“光密”具有相對性。
2．全反射現(xiàn)象：光從 介質(zhì)入射到 介質(zhì)的分界面上時，當入射角增大到一定程度時，光全部反射回 介質(zhì)，這一現(xiàn)象叫全反射現(xiàn)象。
3．臨界角：折射角等于 時的 叫做臨界角。用C表示， 。
4．發(fā)生全反射的條：（1）光從 介質(zhì)入射到 介質(zhì)；（2）入射角 臨界角。
【應用2】在一個圓形輕木塞的中心插上一根大頭針，然后把它倒放在水面上，調(diào)節(jié)針插入的深度，使觀察者不論在什么位置都剛好不能看到水下的大頭針，如圖所示，量出針露出的長度為d，木塞得半徑為r，求水的折射率。
導示:當調(diào)節(jié)針插入的深度后，使觀察者不論在什么位置都剛好 不能看到水下的大頭針時，表明此時A點發(fā)出的光線發(fā)生了全反射。如圖所示，
從A 點發(fā)出的光到達B點恰好以臨界角C入射，因此sinC=1/n，
在 AOB中tanC=r/D，
而 ，
所以n=
處理這類問題通常是先畫出臨界幾何光路圖，再用折射定律，全反射的知識求解。
知識點三棱鏡對光路作用與光的色散
1．三棱鏡對光線的作用
①光密三棱鏡：當光線從一側(cè)面射入，從另一側(cè)面射出時，光線兩次均向底面偏折。
思考：光疏三棱鏡對光路的特點？

②全反射棱鏡（等腰直角棱鏡）：當光線從一直角邊垂直射入時，在斜邊發(fā)生全反射，從另一直角邊垂直射出。當光線垂直于斜邊射入時，在兩直角邊發(fā)生全反射后又垂直于斜邊射出。
③三棱鏡成像：當物體發(fā)出的光線從三棱鏡的一側(cè)面射入，從另一側(cè)面射出時，逆著出射光線可以看到物體的虛像。
2．光的色散
①由于各種色光的折射率不同，因此一細束復色光經(jīng)三棱鏡折射后將發(fā)生色散現(xiàn)象。
②白光通過三棱鏡，要發(fā)生色散，紅光偏折角最小，紫光偏折角最大．偏折角從小到大的順序是：紅、橙、黃、綠、藍、紫．
③結(jié)論——從紅到紫的方向有：
（1）同一介質(zhì)對不同色光的折射率逐漸增大．
（2）在同一介質(zhì)中不同色光的傳播速度逐漸減�。�
（3）光的頻率逐漸增大．
（4）在真空中的波長逐漸減小．
（5）光子的能量逐漸增大．
【應用3】（江蘇九校2007年第二次聯(lián)考試卷）如圖所示，截面為ABC的玻璃直角三棱鏡放置在空氣中，寬度均為d的紫、紅兩束光垂直照射三棱鏡的一個直角邊AB，在三棱鏡的另一側(cè)放置一平行于AB邊的光屏，屏的距離遠近可調(diào)，在屏上出現(xiàn)紫、紅兩條光帶，可能是（ ）
A．紫色光帶在上，紅色光帶在下，紫色光帶較寬
B．紫色光帶在下，紅色光帶在上，紫色光帶較寬
C．紅色光帶在上，紫色光帶在下，紅色光帶較寬
D．紅色光帶在下，紫色光帶在上，紅色光帶較寬
導示: 紫光的頻率比紅光大，故三棱鏡對紫光的折射率比對紅光大，通過三棱鏡后紫光偏離入射方向的角度大，當光屏離三棱鏡的距離適當時，紫光既可以在紅光的上面，也可以在紅光的下面．
故選CD

類型一折射率及全反射的綜合應用
【例1】一個橫截面為半圓形的光學元，其材料的折射率為n= ，一束平行光以45º的入射角射向其上表面，如圖所示。求：在圖中標出入射光能從其半圓面上射出的范圍。
導示:如圖所示，由折射定率定義：n= ，可得θ=300，從圓心O射入的光線到達半圓周上的C點時，入射角為00，因此一定有光線射出。從C點向左右兩邊移動，射到半圓周上的光線的入射角都將逐漸增大。當入射角增大到臨界角時，光線發(fā)生全反射，不再能夠從該元射出。由sinθ0=1/n，求出臨界角為θ0=450。設光線射到C點左邊某一點A時剛好有入射角α=θ0=450，從圖中可以看出ΔAOD中β=600，所以γ=750；同理設光線射到C點右邊某一點B時剛好有入射角α=θ0=450，從圖中可以看出ΔBOE中的σ=150。只有以上得到的A、B兩點間的圓弧上，才有光線射出。AB弧的度數(shù)是900º。
（1）對射到圓弧上的光線，一定要做出過該點的半徑，因為該半徑就是法線。有了法線，入射角、折射角就都好分析了。（2）通過這道題體會一下作圖和計算的關(guān)系．做有關(guān)折射、全反射的題目，必須盡量準確地作圖，同時利用幾何關(guān)系進行計算。
類型二視深問題
【例2】如圖所示，一個物點位于折射率為n的媒質(zhì)中h0深處，證明當在媒質(zhì)界面正上方觀察時，物體的視深為：h= h0/n。
導示:根據(jù)光路可逆和折射定律：n=
一般瞳孔的線度d=2～3毫米，因此i和r都非常小，則
sini tgi= ,sinr tgr= 。故有n= =
即h=h0/n。
思考：如何證明視高？

1．（連云港市2007屆高三年級第三次調(diào)研）如圖所示，為一塊建筑用幕墻玻璃的剖面圖，在其上建立直角坐標系xOy，設該玻璃的折射率沿y軸正方向均勻發(fā)生變化�，F(xiàn)有一單色a從原點O以某一入射角由空氣射入該玻璃內(nèi)部，且單色光a在該材料內(nèi)部的傳播路徑如圖中實線所示。則玻璃的折射率沿y軸正方向發(fā)生變化的情況是 （ ）
A．折射率沿y軸正方向均勻減小
B．折射率沿y軸正方向均勻增大
C．折射率沿y軸正方向先均勻減小后均勻增大
D．折射率沿y軸正方向先均勻增大后均勻減小
2．5．（廣州市重點中學2008高三質(zhì)檢）如圖從點光S發(fā)出的一細束白光以入射到三棱鏡的表面，經(jīng)過三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏的ab間形成一條彩色光帶.下面的說法中正確的是（ ）
A. a側(cè)是紅光，b是紫光
B. 在真空中a光的波長小于b光的波長
C .三棱鏡對a光的折射率大于對b光的折射率
D. 三棱鏡中a光的傳播速率大于b光的傳播速率
3．如圖,等腰棱鏡的頂角為30°,光線D垂直于AC邊射向棱鏡,入射光線D和折射光線ON的延長線夾角為30°,則光在這種玻璃中傳播的速度大小為__________m/s.

4．如圖所示，一透明塑料棒的折射率為n,光線由棒的一端面射入，當入射角i在一定范圍內(nèi)變化時，光將全部從另一端面射出。當入射角為i時，光在棒的內(nèi)側(cè)面恰好發(fā)生全反射。

答案：1．A 2．BD 3． 4．

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