2010届高三物理一轮复习光学部分几何光学

高三一轮复习教案（全套68个）第四部分光学
§ 1.几何光学…
一、光的直线传播•-
二、反射平面镜成像
三、折射与全反射
第四部分光学
§ 1.几何光学-
一、光的直线传播世一
目的要求…
复习光在媒质中的传播和光速。

知识要点…
1•光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。

-
前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。

否则，可能发生偏折。

如光从空气斜射入
水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。

2 一
当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将
可能偏离原来的传播方向。

…
解光的直线传播方面的计算题（包括日食、月食、本影、半影问题）关键是画好示意图，利用数学中的相似形等几何知识计算。

…
2•光速 -
光在真空中的转播速度为c=3.00 X 1 08m/s。

-
⑴光在不同介质中的传播速度是不同的。

根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c。

一
⑵近年来（1999-2001年）科学家们在极低的压强（10-9Pa）和极低的温度（10-9K）下, 得到一种物质的凝聚态，光在其中的速度降低到17m/s，甚至停止运动。

一网
⑶也有报道称在实验中测得的光速达到1011m/s，弓I起物理学界的争论。

” 例题分析
例：如图所示，在A点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源
S。

现将小球从A点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直
墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是-
A. 匀速直线运动
B.自由落体运动-
C.变加速直线运动
D.匀减速直线运动-网
解：小球抛出后做平抛运动，时间t后水平位移是vt,竖直位移是h= gt2,根据相似形知识可以由比例求得x=@txt，
2v 速运动。

2
因此影子在墙上的运动是匀
、反射平面镜成像
目的要求…
复习光的反射定律和平面镜成像。

知识要点…
1. 反射定律。

i
2. 平面镜成像--
像的特点：平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。

—
3. 光路图作法-
）根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。

2…
（2）充分利用光路可逆：在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。

（眼睛在某
点A通过平面镜所能看到的范围和在A点放一个点光源，该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。

）”
（3）利用边缘光线作图确定范围” 例题分析
例1:如图所示，画出人眼在S处通过平面镜可看到障碍物后地面的
范围。

一
解：先根据对称性作出人眼的像点S /,再根据光路可逆,
设想S处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面
镜看到的范围。

图中画出了两条边缘光线。

-育网
例2:如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到AB完整像的范围。

2-..
解：先根据对称性作出AB的像AB，分别作出点、B点
发出的光经平面镜反射后能射到的范围，再找到它们的公共区
域（交集）。

就是能看到完整像的范围。

三、折射与全反射
目的要求…
复习折射定律和全反射现象。

知识要点…
1 .光的折射-
（1）折射定律：折射定律的各种表达形式：■-
n「sin二_c =，=_1 （g 1为入、折射角中的较大者。

…
sin$ v 人‘ sin C0
（2）折射光路也是可逆的。

一
（3）全反射。

-
2.各种色光性质比较-
可见光中，红光的折射率n最小，频率v最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v 最大，波长入最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在
介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。

以上各种色光的性质比较在定性分析时非常重要，一定要牢记。

-
3•边作图边计算-
有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。

作图要依据计算结果，力求准确。

4. 棱镜
（1 ）棱镜对光的偏折作用■-
一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。

入射光线经三棱镜两次折
射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。

（若棱镜的折射率比棱镜外介质小则
结论相反。

）一
作图时尽量利用对称性（把棱镜中的光线画成与底边平行）。

由于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。

）
（2）全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。

选择适当
的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90°
（右图1 ）或1 80° （右图2）。

要特别注意两种用法中光线在哪个表
面发生全反射。

5•光导纤维
全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）。

光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。

光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。

这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。

6.玻璃砖
所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。

当光线从上表面入射，
从下表面射出时，其特点是：⑴射出光线和入射光线平行；⑵各种色光在第一次入
射后就发生色散；⑶射出光线的侧移和折射率、入射角、
玻璃砖的厚度有关；⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。

例题分析
例1 :直角三棱镜的顶角
a =15° ,棱
镜材料的折射率n=1.5, 一细束单色光如图 所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该 入射光第一次从棱镜中射出的光线。

解：由n =1.5知临界角大于 30°小于45' 各点
时的入射角依次是 75、60、45、30， ，边画边算可知该光线在射到 A 、B 、C 、D 因此在
A 、
B 、
C 均发生全反射，到
D 点入射 角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出。

例2:如图所示，一条长度为L=5.0m 的光 导纤维用折射率为 n= 2的材料制成。

一细束 激光由其左端的中心点以
a = 45°的入射角射
入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。

大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少?
解：⑴由 n=c/v 可得 v=2.1 x 108m/s ⑵由n
=sin a /sinr 可得光线从左端 面射入后的折射角为
30°,射到侧面时的入 射角为60°,大于临界角
45°，因此发生
全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射， 直到光线达到右端面。

由三角关系可以求出
光线在光纤中通过的总路程为
s=2L/・3，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是
-8
t=s/v=2.7 x 10 s 。

例3:如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一
个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点
M ,若用n 1和n 2
分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是
A. n 1<n 2, a 为红光，b 为蓝光
B. nyn 2, a 为蓝光，b 为红光
C.n 1>n 2, a 为红光，b 为蓝光
D. n 1>n 2, a 为蓝光，b 为红光
解：由图可知，b 光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射率较小，是红光。

例4 :如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。

它虽然本身不发光，但在夜 间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，
会有较强的光被反射回去，使汽车司
机注意到前面有自行车。

尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是
A. 汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射
B. 汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射
C. 汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射
D. 汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射
解：利用全反射棱镜使入射光线偏折 180°,光线应该从斜边入射，在两个
直角边上连续发生两次全反射。

所以选 C 。

求：⑴该激光在光导纤维中的速度
v 是多
a
一、
b 卜
该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个? 解：如图所示，由于该材料折射率由下向上均匀减小，可 以设想将它分割成折射率不同的薄层。

光线射到相邻两层的界 面时，如果入射角小于临界角，则射入上一层后折射角大于入 射角，光线偏离法线。

到达更上层的界面时入射角逐渐增大， 当入射角达到临界角时发生全反射，光线开始向下射去直到从 该材料中射出。

例7 :如图所示，用透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可 能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足
A. 折射率必须大于、• 2
B. 折射率必须小于 2
C. 折射率可取大于1的任意值
D. 无论折射率是多大都不可能
解：从图中可以看出，为使上表面射入的光线经两次折射后从右侧面射出，
0 1和B 2
都必须小于临界角 C ,即 0 i <C , 0 2<C ，而 0 什 0 2=90。

，故 C>45 ° , n =1/sinC< 2，选 B 答案。

例&如图所示，一束平行单色光a 垂直射向横截面为等边 三角形的棱镜的左侧面，棱镜材料的折射率是 • 2。

试画出该入
射光射向棱镜后所有可能的射出光线。

解：由折射率为・2得全反射临界角是 45°。

光线从左侧面 射入后方向不发生改变，射到右侧面和底面的光线的入射角都是 60 °,大于临界角，因此
发生全反射。

反射光线分别垂直射向底面和右侧面。

在底面和右侧面同时还有反射光线。

由
例5:如图所示，两细束平行的单色光 a 、b 射向同一块玻璃砖 的上表面，最终都从玻璃砖的下表面射出。

已知玻璃对单色光 折射率较小，那么下列说法中正确的有
A. 进入玻璃砖后两束光仍然是平行的
B. 从玻璃砖下表面射出后，两束光不再平行
C. 从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离一定减小了
D.从玻璃砖下表面射出后，两束光之间的距离可能和射入前相同 解：进入时入射角相
同，折射率不同，因此折射角不同，两束光在玻璃内不再平行，但 从下表面射出时仍是平行的。

射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同，
在厚
度从小到搭变化时，该距离先减小后增大，有可能和入射前相同（但左右关系一定改变了）
例6:如图所示，AB 为一块透明的光学材料左侧的端面。

建立直角坐标系如图，设该光学材 料的折射率沿y 轴正方向均匀减小。

现有一束单色光
a 从原点0以某一入射角B 由空气射入
a 的
x
光路可逆知，它们最终又从左侧面射出。

所有可能射出的光线如图所示。