第十二章_高中物理 光

第十二章 光

第 1 课时 光的折射、全反射

基础知识归纳

1.光的直线传播

在 同一均匀介质 中光沿直线传播.当光从一种介质进入另一种介质时，传播方向改变.当障碍物或孔的尺寸和波长相等或者比波长小时，将发生明显的 衍射 现象，光线将偏离原来的方向.

2.光的反射、平面镜成像

(1)光的反射定律.光从一种介质射到另一种介质的分界面时发生反射，反射光线、入射光线和法线处在 同一 平面内，反射光线、入射光线分居法线的 两侧 ，反射角 等于 入射角.

(2)平面镜成像的特点： 正立等大 的虚像，物与像关于镜面 对称 .

(3)在反射现象中，光路是 可逆 的，常用到这一特点及边缘光线作图来确定视场的范围.

3.光的折射

(1)折射定律

折射光线、入射光线、法线处于 同一 平面内，折射光线与入射光线分别位于法线 两侧 ，入射角的正弦与折射角的正弦的比值是 定值 (注意两角三线的含义).

(2)折射率

①折射率定义：

光从 真空或空气 中射入介质中发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的 折射率 .折射率是反映介质折射光的本领大小的一个物理量.

②折射率的定义表达式：

n ＝ sin sin 2

1θθ (其中θ1为真空或空气中的角度). ③折射率的其他各种计算表达形s 式：

n ＝ v

c ＝ λλ'＝ sin 1 C (其中c 、λ为光在真空或空气中的光速、波长；v 、λ′为介质中的光速、波长；C 为光发生全反射时的临界角).

④折射率大小的决定因素： 介质 、 光源 (主要是频率)，注意：介质的折射率n >1.

(3)折射光路是 可逆 的.

4.光的全反射

(1)光疏介质和光密介质：两种介质比较，折射率小的介质叫 光疏 介质，折射率大的介质叫 光密 介质；“光疏”和“光密”具有 相对性 .

(2)全反射现象：光从 光密 介质入射到 光疏 介质的分界面上时，当入射角增大到一定程度时，光全部反射回 光密 介质，这一现象叫 全反射 现象.

(3)临界角：折射角等于 90° 时对应的入射角叫做 临界角 ，用C 表示，C ＝

1arcsin n . (4)发生全反射的条件：①光从 光密 介质入射到 光疏 介质；②入射角 大于等于

临界角.

(5)光导纤维：实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，在 内芯 和 外套 的界面上发生全反射.其中 内芯 是光密介质， 外套 是光疏介质，它对光具有 传导作用 .

5.光的色散

(1)三棱镜：横截面为三角形的三棱柱透明体称三棱镜.

三棱镜对光线的作用：

①光密三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向 底面 偏折.物体经棱镜成像向 顶角 偏移.

②光疏三棱镜：当光线从一侧面射入，从另一侧面射出时，光线两次均向 顶角 偏折. ③全反射棱镜(等腰直角棱镜)：当光线从一直角边垂直射入时，在 斜边 发生全反射，从另一直角边垂直射出.当光线垂直于斜边射入时，在 两直角边 都发生全反射后又垂直于斜边射出.

三棱镜成像：

当物体发出的光线从三棱镜的一侧面射入，从另一侧面射出时，逆着出射光线可以看到物体的 虚像 .

(2)光的色散：

①白光通过三棱镜后，出射光束变为 红 、橙、 黄 、绿、蓝、靛、 紫 七色光束.含有多种颜色的光被分解成单色光的现象叫做光的 色散 .各种色光按其波长的有序排列叫做 光谱 .

②各种色光性质比较：可见光中 红光 的折射率n 最 小 ，频率υ最 小 ，在同种介质中(除真空外)传播速度v 最 大 ，波长λ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).

重点难点突破

一、对折射率的理解

折射率的定义指明了光是从空气(真空)入射至介质中，n ＝v

c =21 sin sin θθ，θ1是空气(真空)

中的角度，θ2是介质中的角度.计算折射率时，应先根据题意画好光路图，找对两个角度.无论光是从空气(真空)入射至介质中，还是从介质入射至空气(真空)中，θ1均为空气(真空)中的角度.θ1>θ2，c >v ，所以n >1.

二、与全反射有关的定性分析和定量计算

全反射产生的条件是光从光密介质入射到光疏介质，且入射角大于或等于临界角.涉及的问题如：全反射是否发生、什么范围的入射光才能从介质中射出、折射光覆盖的范围分析、临界角的计算等，都需正确作出光路图，熟练应用几何知识进行分析和计算.

三、不同颜色的光的频率

不同颜色的光，其频率不同，因此在同一介质中光速及波长不同，同一介质对不同色光的折射率不同，红光的频率最低，紫光的频率最高.同一介质中，频率高的色光折射率大，因

为C ＝sin n

1，n 大则C 小，当入射角从0°逐渐增大时，频率高的色光先发生全反射，利用 v ＝n

c ，λ＝v /υ，可分析比较不同色光在同一介质中的光速、波长的大小. 四、折射率测定的几种方法

1.成像法

(1)原理：利用水面的反射成像和水的折射成像.

(2)方法：紧挨烧杯口竖直插入一直尺，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 看到直尺在水下最低点的刻度B 的像B ′(折射成像)恰好与直尺在水面上的刻度A 的像A ′(反射成像)重合，读出AC 、BC 的长，量出烧杯内径d ，如图所示，即可求出水的折射率为n ＝)/()(2222d AC d BC ++.

2.视深法

(1)原理：利用视深公式，h ′＝h /n .

(2)方法：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，测出针尖距水面的距离即为杯中水的视深h ′，

再测出水的实际深度h ，则水的折射率为n ＝h h '

. 3.全反射法

(1)原理：全反射现象.

(2)方法：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

圆形的发光面，量出发光面的直径D 与水深h ，则水的折射率为n ＝D h D 2

24+. 注意：对液体、透明固体均可用全反射法测其折射率.

4.插针法(在第4课时重点讲明)

典例精析

1.与折射率有关的计算

【例1】一个圆柱形筒，直径12 cm ，高16 cm.人眼在筒侧上方某处观察，所见筒侧的深度为9 cm ，当筒中装满液体时，则恰能看到筒侧的最低点.求：

(1)此液体的折射率；

(2)光在此液体中的传播速度.

【解析】题中的“恰能看到”表明人眼看到的是筒侧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，认为“由人眼发出的光线”折射后恰好到达筒侧最低点.

根据题中的条件作出光路图如图所示：

(1)由图可知：sin θ2＝22H d d +，sin θ1＝22h

d d + 折射率：n ＝349

121612 sin sin 2222222221=++=++=h d H d θθ (2)传播速度：v ＝3

4100.38

⨯=n

c m/s ＝2.25×108 m/s