專題十四光目錄體系透視考點(diǎn)透析考點(diǎn)1光的折射全反射考點(diǎn)2光的波動(dòng)性題型透悟題型21光路分析體系透視

考點(diǎn)1光的折射全反射一、光的折射和全反射的比較考點(diǎn)透析

光的折射全反射情境

概念折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi),折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè);入射角的正弦與折射角的正弦成正比光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),當(dāng)入射

角增大到某一角度,使折射角達(dá)到90°

時(shí),折射光完全消失,只剩下反射光規(guī)律n=

,n為介質(zhì)的折射率,θ1指的是真空中的光線和法線的夾角,θ2指的

是介質(zhì)中的光線和法線的夾角根據(jù)n=

,光剛發(fā)生全反射時(shí)θ1=90°、θ2=C,得n=

,所以n=

,則sinC=

對(duì)折射率的理解(1)同一種介質(zhì)中,頻率越大的光折射率越大,傳播速度越小(2)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)頻率不變,根據(jù)n=

來(lái)判斷光在不同介質(zhì)中的傳播速度,根據(jù)v=λf來(lái)判斷光在不同介質(zhì)中的波長(zhǎng)二、各種色光的比較顏色紅橙黃綠藍(lán)靛紫頻率低→高光子的能量小→大同一介質(zhì)中的折射率小→大通過(guò)同一棱鏡的偏折角小→大同一介質(zhì)中的傳播速度大→小同一介質(zhì)中的波長(zhǎng)大→小同一介質(zhì)中的臨界角大→小情境粵覽雨過(guò)天晴,空氣中懸浮著大量小水滴,若太陽(yáng)光從背后近乎水平入射,觀察者便會(huì)看到彩

虹(如圖甲)。有時(shí)能夠同時(shí)觀察到兩道彩虹,內(nèi)層彩虹被稱為“虹”,色序表現(xiàn)為“內(nèi)

紫外紅”,外層彩虹被稱為“霓”,色序表現(xiàn)為“內(nèi)紅外紫”。從物理學(xué)角度看,虹和霓

是兩束平行太陽(yáng)光在水珠內(nèi)分別經(jīng)過(guò)一次和兩次反射后出射形成的,人們?cè)诘孛嫔夏?/p>

著光線看過(guò)去就可看到霓虹現(xiàn)象。霓虹現(xiàn)象形成時(shí),陽(yáng)光在小水滴中的大致光路圖如

圖乙所示。A.從反光單元反射的出射光線與入射光線方向平行B.反光單元材料折射率越小,反光效果越好C.不同顏色的光在反光單元中傳播速度相同D.若光線在Q點(diǎn)發(fā)生全反射,則在P點(diǎn)也一定發(fā)生全反射典例1

(2024佛山南海摸底)昏暗路段一般會(huì)安裝反光道釘用于指引道路,其內(nèi)部由多

個(gè)反光單元組成。如圖所示,當(dāng)來(lái)車的一束燈光以某一角度射向反光單元時(shí),其中一條

光線在P、Q處先后發(fā)生兩次反射,則

()

A

解析設(shè)光線在反光單元的入射點(diǎn)為O,出射點(diǎn)為M,發(fā)生兩次反射的反射角分別為α和

θ,由于α+θ=90°,則2α+2θ=180°,則PO與QM平行,根據(jù)光路的可逆性知,從反光單元反射

的出射光線與入射光線方向也平行,A正確。反光單元材料折射率越小,發(fā)生全反射的

臨界角越大,光線在反光單元內(nèi)越不容易發(fā)生全反射,有部分光線將在直角邊界面發(fā)生

折射,故從斜邊折射出去的光線越少,反光效果越差,B錯(cuò)誤。不同顏色的光折射率不同,

根據(jù)v=

知,在反光單元內(nèi)的傳播速度不同,C錯(cuò)誤。設(shè)發(fā)生全反射時(shí)的臨界角為C,若光線在Q點(diǎn)發(fā)生全反射,即θ≥C,結(jié)合α+θ=90°可知α不一定大于或等于臨界角C,故在P點(diǎn)

不一定也發(fā)生全反射,D錯(cuò)誤?？键c(diǎn)2光的波動(dòng)性一、雙縫干涉1.單色光照射產(chǎn)生明、暗條紋的條件(1)光的路程差r2-r1=±kλ(k=0,1,2,…),光屏上出現(xiàn)亮條紋。(2)光的路程差r2-r1=±(2k+1)

(k=0,1,2,…),光屏上出現(xiàn)暗條紋。2.相鄰亮(暗)條紋的中心間距Δx=

λ。二、薄膜干涉1.原理:薄膜上不同位置厚度一般不同,入射光照在薄膜的不同位置,來(lái)自薄膜前后兩個(gè)

面的反射光的路程差不同,疊加后出現(xiàn)亮條紋或暗條紋。

2.應(yīng)用:檢測(cè)工件表面的平整度。(1)干涉條紋等間距,被檢測(cè)平面平整,如圖甲所示。(2)對(duì)應(yīng)亮紋(或暗紋)提前出現(xiàn),如圖乙所示,說(shuō)明某處凹陷。(3)對(duì)應(yīng)條紋延后出現(xiàn),如圖丙所示,說(shuō)明某處凸起。情境粵覽“冷光燈”照射物品時(shí)能降低被照物品產(chǎn)生的熱效應(yīng),原因是燈泡后面放置的反光鏡玻璃表面上鍍了一層薄膜(例如氟化鎂),這種膜能消除不鍍膜時(shí)玻璃表面反射回來(lái)的

產(chǎn)生熱效應(yīng)最顯著的紅外線。原理:當(dāng)薄膜前后表面反射光線的光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),薄膜兩個(gè)界面上的反射

光發(fā)生干涉后互相削弱,減少了反射光中的紅外線,從而減少了反射光的能量。增透膜滿足

的奇數(shù)倍的原因:設(shè)膜的厚度為d,折射率為n,紅外線在真空中波長(zhǎng)為λ,在膜中的波長(zhǎng)λ'=

,有

(2k+1)=2d(k=0,1,2,3,4…),聯(lián)立可得d=

(2k+1)(k=0,1,2,3,4…)。三、單縫衍射和雙縫干涉的比較

單縫衍射雙縫干涉圖樣(陰影部分表示亮條紋)

不同點(diǎn)條紋寬度條紋寬度不相等,中央的最寬條紋寬度相等條紋間距各相鄰條紋中心間距不相等各相鄰條紋中心間距相等亮度中央條紋最亮,兩邊較暗清晰條紋,亮度基本相同相同點(diǎn)干涉、衍射都是波特有的現(xiàn)象,屬于波的疊加;光的干涉

與衍射都有明暗相間的條紋典例2

(2024廣州開(kāi)學(xué)考)如圖是我們現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)和科研中遇到的現(xiàn)象。下列說(shuō)

法中正確的是

()

D

A.圖甲表示聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí),觀察者接收到的聲音頻率增大B.圖乙使光信號(hào)在光導(dǎo)纖維中發(fā)生全反射,則光導(dǎo)纖維內(nèi)芯是光疏介質(zhì),外套是光密介質(zhì)C.圖丙為用薄膜干涉法檢驗(yàn)工件平整度的示意圖,可推斷出P彎曲處工件表面為凸起D.圖丁為單色光照射到不透明圓盤上,在圓盤后面觀察到的衍射圖樣

解析題圖甲所示為多普勒效應(yīng),聲源遠(yuǎn)離觀察者,觀察者接收到的聲音頻率減小,A錯(cuò)

誤。題圖乙中,為使光線在內(nèi)芯中發(fā)生全反射,光線應(yīng)從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),即內(nèi)芯

是光密介質(zhì),外套是光疏介質(zhì),B錯(cuò)誤。題圖丙中,用薄膜干涉法檢測(cè)工件表面平整程度,

根據(jù)條紋彎曲可知P處干涉條紋提前出現(xiàn),P處出現(xiàn)凹陷,C錯(cuò)誤。題圖丁中,單色光照射

到不透明圓盤上,在圓盤后面觀察到的圖樣是衍射圖樣,D正確。

題型21光路分析一、幾種常見(jiàn)的對(duì)光路控制的光學(xué)器材題型透悟1.平行玻璃磚(如圖所示)(1)通過(guò)平行玻璃磚的光不改變傳播方向,但會(huì)發(fā)生側(cè)移。(2)不同頻率的單色光通過(guò)相同的玻璃磚,頻率越高,側(cè)移量越大,反之越小。(3)光不可能在玻璃磚下界面發(fā)生全反射。2.三棱鏡(如圖所示)

(1)在以上兩圖中,①②兩條入射光線的入射角∠1相等,出射光線的出射角∠4也相等,

光線的偏折角δ相同[δ=(∠1-∠2)+(∠4-∠3)]。(2)若入射角∠1逐漸減小,則第二次折射的入射角∠3逐漸增大,當(dāng)增大到臨界角C時(shí)恰好發(fā)生全反射。3.圓柱體(或球體)玻璃(如圖所示)

(1)光路圖具有對(duì)稱性,入射角等于出射角且光線向圓心偏折。(2)對(duì)著圓心入射的光傳播方向不變。

注意光第二次折射時(shí),若入射角≥發(fā)生全反射時(shí)的臨界角C,則會(huì)發(fā)生全反射。4.半圓柱體(或半球體)玻璃(1)如圖甲所示,半圓柱體(或半球體)玻璃左側(cè)垂直于直徑入射的光傳播方向不變,部分

光經(jīng)右側(cè)弧面折射后射出,部分光會(huì)發(fā)生全反射。

(2)在右側(cè)弧面發(fā)生全反射的臨界光線如圖乙所示,在上下兩條臨界光線外側(cè)的光線均

發(fā)生全反射,在圖中可得到發(fā)生全反射的入射點(diǎn)范圍。5.光導(dǎo)纖維(如圖所示)

(1)折射率n1>n2。(2)隨著入射角從0逐漸增大到i,折射角逐漸增大到r,α逐漸減小,此時(shí)若α剛好減小到發(fā)

生全反射的臨界角C,則恰好發(fā)生全反射。為保證入射的光線都能發(fā)生全反射,則入射

角的最大值為i。二、解題關(guān)鍵1.根據(jù)光的折射定律和全反射規(guī)律作出正確的光路圖是光路分析的基礎(chǔ)。2.在一系列的平行入射光線中找到發(fā)生全反射的臨界光線、利用數(shù)學(xué)中的幾何關(guān)系求

出角度,均為處理光路問(wèn)題的難點(diǎn)。通常假設(shè)在一系列光線中的某條光線恰好發(fā)生全

反射,作出光路圖,然后結(jié)合sinC=

即可找到臨界光線。典例

(2024茂名二模)如圖所示為一半徑為R=6cm的透明半球體,PQ為半球體的直徑,

O為半球體的球心。現(xiàn)有一束激光垂直半球的平面射入半球體,入射點(diǎn)從P點(diǎn)沿直徑

PQ方向緩慢向Q點(diǎn)移動(dòng),發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射點(diǎn)移動(dòng)2cm后,才開(kāi)始有光線從下方球冠射出,不考

慮光線在半球體內(nèi)多次反射。(1)該半球體的折射率為多少?(2)當(dāng)該束激光入射點(diǎn)移動(dòng)至距離球心為3cm位置入射,則其光線射出半球體的折射角

的正弦值為多少?解析

(1)由題意作出光路圖如圖所示。

設(shè)入射點(diǎn)移動(dòng)2cm時(shí)該入射點(diǎn)位置為A,此時(shí)入射角為C,由幾何關(guān)系可知OA=0.06m-0.

02m=0.04m,sinC=

=

,則由sinC