棱镜、全反射奥赛培训讲座教学PPT课件.ppt

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棱镜 全反射 邹平一中 雷文胜 知识准备 1、折射定律: 2、绝对折射率: 3、相对折射率: 折射光线与入射光线、法线处在同一平面内,折射光线与入射光线分别位于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比。 棱镜 应用1,应用三棱镜测折射率 角A叫三棱镜的顶角。出射光线与入射光线方向夹角θ为光线偏向角。光路如图。 1、光线偏向角大小与哪些因素有关?有什么定量关系? 2、满足什么条件光线偏向角取最值?是最大值还是最小值?怎样表示? 3、三棱镜对光线的折射率怎样测定更方便? 思考: 棱镜 应用2,利用三棱镜的色散,讨论色散颜色的分布顺序 在可见光区域,折射率随波长的变化比较平缓,所以,仅经过一次折射,色散效果往往不是很明显。利可三棱镜可以连续两次折射,这样从另一侧射出的光色散就比较明显,便于观察和测量。牛顿就是用这种方法观察到了光的色散。 拓展:阿米西色散棱镜组,两侧三棱镜的折射率相等,且小于中间三棱镜的折射率。平行白光从另一侧出射时,光束在入射方向两侧对称地散开。 从红光到紫光,频率越来越高,在同一介质中的折射率也越来越大 红光 紫光 棱镜 应用3:光楔 顶角α很小的三棱镜称作光楔。计算以入射角i从一侧入射的光线经过光楔之后的偏转角θ。 1、由于光楔顶角很小,可以由平行玻璃砖将一个面旋转一小角度得到。 2、回忆平行玻璃砖对入射光线方向有什么影响? 3、对平行玻璃砖做了变形后,光线偏向角又怎么求呢? 提示: 棱镜 应用3:光楔 解:对平行玻璃砖有 将玻璃砖出射面转过一个小角度α,形成光楔,出射面上的入射角变为i1-α。折射角也发生变化i2=i+di。di是入射角引入小改变量di1=-α而使折射角引起的改变量, 对 两边求导有 折射光线与原法线夹角为i2+α,则折射光线相对于原来出射光线的夹角为i-(i2+α). 棱镜 应用3:光楔 解:物点P发出两邻近光线,射到光楔AB两点,由于光楔很薄,AB两点又靠得很近,所以忽略了AB两点间光楔厚度差。 如果一个物点到光楔的距离为S,从光楔的另一侧观察,看到该物点位于何处?(该光楔折射率为n,顶角为α) 棱镜 应用3:光楔 全反射 产生 折射定律: 可得: 折射光线实际上就不存在了,只有反射光线。这种情况就是全反射。在入射角逐渐增大的过程中,反射光的能量不断增强,折射光的能量不断减弱。(实验验证) 出现全反射的最小入射角为: 这个角称为全反射临界角。 我们把折射率较大的介质称为光密介质,折射率较小的介质叫光疏介质。 发生全反射的条件: ①光从光密介质射向光疏介质 ②入射角大于临界角ic 全反射 应用一:全反射棱镜 直角棱镜 施密特-朴汉棱镜 屋脊形五棱镜 阿贝-科尼棱镜 阿米西棱镜 全反射 应用一:全反射棱镜 珀罗-阿贝棱镜 珀罗组合棱镜 分 色 棱 镜 全反射 应用一:全反射棱镜 例:直角锥棱镜是由三个互相垂直的平面构成的玻璃四面体,相当于从立方体中切下一角,从斜面进入棱镜的光线在每一个直角面上都发生全反射。这种棱镜也叫作阿波罗棱镜。 如图所示。证明:从斜面射入的光线,经过三个面依次反射后,将沿着入射的方向返回。 解:以该棱锥直角的三个棱作为直角坐标轴,从斜面进入棱锥的光线的方向可以用单位矢量表示为 其中,ex、ey、ez分别为沿坐标轴方向的单位矢量,kx、ky、kz为相应的方向余弦。由于ex、ey、ez分别代表光线矢量的分量,每一个分量分别与一个反射面垂直,故被每一个面反射后,相应的分量方向反转。因此经过三个面反射后,光线的矢量变为 该矢量与从斜面进入棱锥的光线矢量平行,因而在经过斜面折射后,出射的方向与射向斜面的光线平行,而方向恰好相反。 实例:①阿波罗将由100块这样的棱镜组成的棱镜阵列带到月球上,反射来自地球的激光,成功测量了月地间距。 ②自行车尾灯的设计。 全反射 应用二:全反射光纤 例(17届复赛):普通光纤是一种可传输光的圆柱形细丝,由具有圆形截面的纤芯A和包层B组成,B的折射率小于A的折射率,光纤的端面与圆柱体的轴垂直,由一端面射入的光在很长的光纤中传播时,在纤芯A和包层B的分界面上发生多次全反射。现在利用普通光纤测量流体F的折射率,实验方法如下:让光纤的一端(出射端)浸在流体F中,令与光纤轴平行的单色平行光束凸透镜折射后会聚在光纤入射端面的中心O,经端面折射进入光纤,在光纤中传播。由O点出发的光束为圆锥形,已知其边缘光线和轴的夹角为α0,如图1所示。最后光从另一端面出射进入流体F。在距出射端面h1处放置一垂直于光纤轴的毛玻璃屏D,在D上出现一圆形光斑,测出其直径为d1,然后移动光屏D至距光纤出射端面h2处,再测出圆形光斑的直径d2,如图2所示。 (1)若已知A和B的折射率分别为nA与nB,求被测流体F的

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