逍遥学能 2013-06-16 21:26
第十六 光学
1.光学包括两大部分内容：几何光学和物理光学．几何光学是以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播规律；物理光学是研究光的本性及规律的学科．
2.本重点考查光的折射定律，折射率，临界角，光的干涉；其次考查余反射、光的衍射、光的偏振等基本规律、概念的理解和掌握，以及通过作光路图，结合几何关系的计算考查学生对基本规律的应用．
3.从今年的考试要求看，这一部分的试题难度会有所下降，因此对基本概念、规律的理解要透彻，尤其是一些常识性的知识点．同时，要注意该部分内容与实际生产、生活的联系．
第一时 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．了解光的全反射现象、光的色散现象。
【知识再现】
一、 光的折射与折射率
1．定义：光由一种介质射入另一种介质，在介面上光路发生改变的现象，叫光的折射．
2．折射定律：折射光线跟 光线和 在同一平面内， 光线和 光线分别位于 的两侧， 的正弦跟的 正弦成比．
3．折射率
(1)折射率：光从 射入 发生折射时， 的正弦与 的正弦之比，叫作这种介质的折射率．
(2)表达式 或 。
二、全反射与临界角
1．全反射现象：光从 介质人射到 介质的分界面上时，折射光线消失，光全部反射回 介质的现象．
2．临界角：折射角等于900时的 叫临界角．
3．发生全反射的条：
①光由 介质射向 ；
②入射角 临界角．
4．应用：光导纤维（如图所示）：
三、棱镜与光的色散
1．棱镜：光线照射到棱镜的一个侧面上时，经两个侧面折射后，出射光线向棱镜的 偏折。物体经棱镜所成的虚像向 方向偏移。
2．白光通过棱镜折射后会发生色散现象。单色光排列的顺序 。光的色散表明：
①白光是 ；
②同一介质对不同色光的 ，频率越高光的折射率越大。
知识点一光的折射与折射率
1．折射率反映了材料折光性能的强弱，同一色光在同种介质中折射率相同。
2．折射率等于光线从真空斜射入介质，入射角正弦与折射角正弦的比值，
3．折射率等于光在真空中的速度与在介质中的速度之比，n=c/v
4．任何材料的折射率都大于1。
思考：入入射角为00，折射角也是00，折射光线没有偏折就不是折射现象吗？
【应用1】（徐州市2008高三摸底考试）如图所示，某透明液体深1m，一束与水平面成300角的光线照向该液体，进入该液体的光线与水平面的夹角为450。试求：①该液体的折射率；
②进入液面的光线经多长时间可以照到底面。
导示:①因为入射角
折射角
所以
②光在液体中传播的速度时:位移 m
速度 m/s 所以: s
知识点二全反射和临界角
1．光疏介质和光密介质：两种介质比较，折射率小的介质叫 介质，折射率大的介质叫 介质；“光疏”和“光密”具有相对性。
2．全反射现象：光从 介质入射到 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 介质，这一现象叫全反射现象。
3．临界角：折射角等于 时的 叫做临界角。用C表示， 。
4．发生全反射的条：（1）光从 介质入射到 介质；（2）入射角 临界角。
【应用2】在一个圆形轻木塞的中心插上一根大头针，然后把它倒放在水面上，调节针插入的深度，使观察者不论在什么位置都刚好不能看到水下的大头针，如图所示，量出针露出的长度为d，木塞得半径为r，求水的折射率。
导示:当调节针插入的深度后，使观察者不论在什么位置都刚好 不能看到水下的大头针时，表明此时A点发出的光线发生了全反射。如图所示，
从A 点发出的光到达B点恰好以临界角C入射，因此sinC=1/n，
在 AOB中tanC=r/D，
而 ，
所以n=
处理这类问题通常是先画出临界几何光路图，再用折射定律，全反射的知识求解。
知识点三棱镜对光路作用与光的色散
1．三棱镜对光线的作用
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。
思考：光疏三棱镜对光路的特点？
②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，在两直角边发生全反射后又垂直于斜边射出。
③三棱镜成像：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由于各种色光的折射率不同，因此一细束复色光经三棱镜折射后将发生色散现象。
②白光通过三棱镜，要发生色散，红光偏折角最小，紫光偏折角最大．偏折角从小到大的顺序是：红、橙、黄、绿、蓝、紫．
③结论——从红到紫的方向有：
（1）同一介质对不同色光的折射率逐渐增大．
（2）在同一介质中不同色光的传播速度逐渐减小．
（3）光的频率逐渐增大．
（4）在真空中的波长逐渐减小．
（5）光子的能量逐渐增大．
【应用3】（江苏九校2007年第二次联考试卷）如图所示，截面为ABC的玻璃直角三棱镜放置在空气中，宽度均为d的紫、红两束光垂直照射三棱镜的一个直角边AB，在三棱镜的另一侧放置一平行于AB边的光屏，屏的距离远近可调，在屏上出现紫、红两条光带，可能是（ ）
A．紫色光带在上，红色光带在下，紫色光带较宽
B．紫色光带在下，红色光带在上，紫色光带较宽
C．红色光带在上，紫色光带在下，红色光带较宽
D．红色光带在下，紫色光带在上，红色光带较宽
导示: 紫光的频率比红光大，故三棱镜对紫光的折射率比对红光大，通过三棱镜后紫光偏离入射方向的角度大，当光屏离三棱镜的距离适当时，紫光既可以在红光的上面，也可以在红光的下面．
故选CD
类型一折射率及全反射的综合应用
【例1】一个横截面为半圆形的光学元，其材料的折射率为n= ，一束平行光以45º的入射角射向其上表面，如图所示。求：在图中标出入射光能从其半圆面上射出的范围。
导示:如图所示，由折射定率定义：n= ，可得θ=300，从圆心O射入的光线到达半圆周上的C点时，入射角为00，因此一定有光线射出。从C点向左右两边移动，射到半圆周上的光线的入射角都将逐渐增大。当入射角增大到临界角时，光线发生全反射，不再能够从该元射出。由sinθ0=1/n，求出临界角为θ0=450。设光线射到C点左边某一点A时刚好有入射角α=θ0=450，从图中可以看出ΔAOD中β=600，所以γ=750；同理设光线射到C点右边某一点B时刚好有入射角α=θ0=450，从图中可以看出ΔBOE中的σ=150。只有以上得到的A、B两点间的圆弧上，才有光线射出。AB弧的度数是900º。
（1）对射到圆弧上的光线，一定要做出过该点的半径，因为该半径就是法线。有了法线，入射角、折射角就都好分析了。（2）通过这道题体会一下作图和计算的关系．做有关折射、全反射的题目，必须尽量准确地作图，同时利用几何关系进行计算。
类型二视深问题
【例2】如图所示，一个物点位于折射率为n的媒质中h0深处，证明当在媒质界面正上方观察时，物体的视深为：h= h0/n。
导示:根据光路可逆和折射定律：n=
一般瞳孔的线度d=2～3毫米，因此i和r都非常小，则
sini tgi= ,sinr tgr= 。故有n= =
即h=h0/n。
思考：如何证明视高？
1．（连云港市2007届高三年级第三次调研）如图所示，为一块建筑用幕墙玻璃的剖面图，在其上建立直角坐标系xOy，设该玻璃的折射率沿y轴正方向均匀发生变化。现有一单色a从原点O以某一入射角由空气射入该玻璃内部，且单色光a在该材料内部的传播路径如图中实线所示。则玻璃的折射率沿y轴正方向发生变化的情况是 （ ）
A．折射率沿y轴正方向均匀减小
B．折射率沿y轴正方向均匀增大
C．折射率沿y轴正方向先均匀减小后均匀增大
D．折射率沿y轴正方向先均匀增大后均匀减小
2．5．（广州市重点中学2008高三质检）如图从点光S发出的一细束白光以入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的ab间形成一条彩色光带.下面的说法中正确的是（ ）
A. a侧是红光，b是紫光
B. 在真空中a光的波长小于b光的波长
C .三棱镜对a光的折射率大于对b光的折射率
D. 三棱镜中a光的传播速率大于b光的传播速率
3．如图,等腰棱镜的顶角为30°,光线D垂直于AC边射向棱镜,入射光线D和折射光线ON的延长线夹角为30°,则光在这种玻璃中传播的速度大小为__________m/s.
4．如图所示，一透明塑料棒的折射率为n,光线由棒的一端面射入，当入射角i在一定范围内变化时，光将全部从另一端面射出。当入射角为i时，光在棒的内侧面恰好发生全反射。
答案：1．A 2．BD 3． 4．