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压轴题11光学
1.本专题是光学部分的典型题型,包括光的折射、光的全反射的知识解决实际问题。高考中经常在选择题中命题,计算题中也有考到,2024年高考对于光学的考查仍然是热点。
2.通过本专题的复习,不仅利于完善学生的知识体系,也有利于培养学生的物理核心素养。
3.用到的相关知识有:光的全反射,光的反射定律和折射定律知识等。近几年的高考命题中一直都是以压轴题的形式存在,重点考几何光学作图,利用折射定律计算等。
考向一:光的折射和折射率
1.折射定律
(1)内容:如图所示,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。
(2)表达式:eq\f(sinθ1,sinθ2)=n12(n12为比例常数)。
2.折射率
(1)定义式:n=eq\f(sinθ1,sinθ2)。
(2)计算公式:n=eq\f(c,v).因为vc,所以任何介质的折射率都大于1。
3.对折射率的理解
(1)折射率的大小不仅反映了介质对光的折射本领,也反映了光在该介质中传播速度的大小v=eq\f(c,n)。
(2)折射率的大小不仅与介质本身有关,还与光的频率有关。
①同一种介质中,频率越大的光折射率越大,传播速度越小。
②同一种光,在不同介质中虽然波速、波长不同,但频率相同。
4.光路的可逆性
在光的折射现象中,光路是可逆的。如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上,光线就会逆着原来的入射光线发生折射。
5.平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体(球)对光路的控制
项目
平行玻璃砖
三棱镜
圆柱体(球)
结构
上下表面平行
横截面为三角形
横截面是圆
对光线
的作用
通过平行玻璃砖的光不改变传播方向,但要发生侧移
通过三棱镜的光经过两次折射后,出射光向棱镜底边偏折
圆界面的法线是过圆心的直线,经过两次折射后向圆心偏折
应用
测定玻璃的折射率
全反射棱镜,改变光的传播方向
改变光的传播方向
考向二:全反射
1.光密介质与光疏介质
介质
光密介质
光疏介质
折射率
大
小
光速
小
大
相对性
若n甲>n乙,则甲相对乙是光密介质
若n甲<n丙,则甲相对丙是光疏介质
2.全反射
(1)定义:光从光密介质射入光疏介质时,当入射角增大到某一角度,折射光线消失,只剩下反射光线的现象.
(2)条件:①光从光密介质射向光疏介质.②入射角大于或等于临界角。
(3)临界角:折射角等于90°时的入射角.若光从介质(折射率为n)射向真空或空气时,发生全反射的临界角为C,由n=eq\f(sin90°,sinC),得sinC=eq\f(1,n)。介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小。
3.光导纤维:光导纤维的原理是利用光的全反射(如图)。
4.分析综合问题的基本思路
(1)判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。
(2)判断入射角是否大于或等于临界角,明确是否会发生全反射现象。
(3)画出反射、折射或全反射的光路图,必要时还可应用光路的可逆原理画出光路图,然后结合几何知识推断和求解相关问题。
5.求解全反射现象中光的传播时间的注意事项
(1)在全反射现象中,光在同种均匀介质中的传播速度不发生变化,即v=eq\f(c,n)。
(2)在全反射现象中,光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定。
(3)利用t=eq\f(s,v)求解光的传播时间。
01折射定律折射率
1.如图所示,半径为R的玻璃半圆柱体,圆心为O。两条平行红光射向圆柱面,方向与底面垂直,光线1的入射点A为圆柱的顶点,光线2的入射点为B,∠AOB=60°。已知该玻璃对红光的折射率n=eq\r(3),两条光线经柱面和底面折射后的交点与O点的距离d等于()
A.eq\f(1,2)R B.eq\f(\r(3),2)R
C.eq\f(1,3)R D.eq\f(\r(3),3)R
【答案】C
【解析】如图所示,光线1通过玻璃半圆柱体后不偏折。
光线2在圆柱面上的入射角i=60°
由n=eq\f(sini,sinr)得
sinr=eq\f(sini,n)=eq\f(1,2),r=30°,
由几何知识得i′=60°-r=30°
由n=eq\f(sinr′,sini′)得
sinr′=nsini′=eq\f(\r(3),2),r′=60°
由几何关系得OC=eq\f(\r(3),3)R
则d=OC·tan30°=eq\f(1,3)R,故选项C正确。
02全反射
2.如图所示,截面为半圆形玻璃砖的半径为R,一束单色平行光向右垂直直面射向玻璃砖,在玻璃砖右侧可看到圆弧面上有三分之二的区域被照亮。已知光在
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