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高中物理选择性必修一培优提升系列
培优提升4.3玻璃球模型
【核心素养目标】
物理观念
知道常见的玻璃球、球冠等。
科学思维
知道常见模型对光的作用,掌握相关计算。
科学态度与责任
了解常见玻璃球的应用。
【题型探究】
题型一玻璃球模型
【典例1】.(2024年3月江西赣州质检)LED灯具有节能、环保、寿命长、高亮度、耐高温等特点从而得到广泛使用,下图为汽车车头LED大灯,为提高亮度灯组的前端是一半径为R、质量分布均匀的玻璃球,如图所示O为球心,一单色光束从O1处射向A点,经折射后从B点平行与OO1射出,折射角为60°,OA⊥OB,则()
A.光束在A点的入射角α=30°
B.光束在玻璃球中频率比在真空中要小
C.此光束在玻璃中传播的时间为
D.玻璃球的折射率为
【答案】D
【解析】
根据几何关系可知,光线从B点射出时的入射角为,根据折射定律可知,玻璃球的折射率为
由于光线从A点折射角为,则光束在A点的入射角为
故A错误,D正确;
B.光束在玻璃球中频率与在真空中频率相等,故B错误;
此光束在玻璃中传播的速度为
根据几何关系可知,光束在玻璃中传播的距离为
则此光束在玻璃中传播的时间为
故C错误。
题型二中空球
【典例2】在天宫课堂第二课“光学水球”实验中,王亚平老师在水球中注入少量气体,在水球内会形成一个气泡.在另一侧,我们可以观察到王老师一正一反两个像,如图甲所示.这是因为有一部分光线会进入水球中的气泡,形成了正立的人像,而另一部分无法进入气泡的光线,形成了倒立的人像.为了方便研究,我们简化为如图乙所示.已知水球半径为R1,气泡半径为R2,两球为同心球.有两束平行光射入水球,其中a光沿半径方向射入,b光恰好在气泡表面发生全反射,水的折射率为n.求a、b两束平行光之间的距离x.
图甲图乙
答案R2
解析画出b光部分光路,如图所示.在M点,根据折射定律有n=sinisinr,因b光在N点发生全反射,有sinC=1n,在三角形OMN中,根据正弦定理有sinrR2=sin(π-C)R1,a、b平行光之间的距离
题型三半球和球冠模型
【典例3】(2024年5月湖南顶级名校高考适应性考试2)如图所示,半径为R的特殊圆柱形透光材料圆柱体部分高度为,顶部恰好是一半球体,底部中心有一光源向顶部发射一束由a、b两种不同频率的光组成的复色光,当光线与竖直方向夹角θ变大时,出射点P的高度也随之降低,只考虑第一次折射,发现当点高度h降低为时只剩下a光从顶部射出,(光速为c)下列判断正确的是()
A.在此透光材料中a光的传播速度小于b光的传播速度
B.此透光材料对b光的折射率为
C.a光从P点射出时,a光经过SP路程所需的时间为
D.同一装置用a、b光做单缝衍射实验,b光的衍射现象更加明显
【答案】B
【解析】
由题意可知,只剩下a光从顶部射出时,b光发生全反射,而a光没发生全反射,可知b光临界角比a光小,根据
可知b光的折射率比a光的大,根据
可知在此透光材料中b光的传播速度小于a光的传播速度,故A错误;
B.只剩下a光从顶部射出时,如图所示,由题意可知
可得
则
在中,由正弦定理得
b光发生全反射有
此透光材料对b光的折射率为
故B正确;
C.a光从P点射出时,a光经过SP路程所需的时间为
故C错误;
D.b光的折射率比a光的大,b光的频率比a光的大,则b光的波长比a光的小,波长越长,越容易发生明显的衍射现象,则同一装置用a、b光做单缝衍射实验,a光的衍射现象更加明显,故D错误。
故选B。
【迁移应用】
1.(2024湖南名校3月适应性训练)如图甲所示为小勇同学收集的一个“足球”玻璃球,他学了光的折射后想用激光对该球进行研究,某次实验过程中他将激光水平向右照射且过球心所在的竖直截面,其正视图如乙所示,AB是沿水平方向的直径。当光束从C点射入时恰能从右侧射出且射出点为B,已知点C到AB竖直距离,玻璃球的半径为R,且球内的“足球”是不透光体,不考虑反射光的情况下,下列说法正确的是()
A.B点的出射光相对C点入射光方向偏折了60°
B.该“足球”的直径为玻璃球直径的
C.继续增加则光将会在右侧发生全反射
D.用频率更小的激光入射时,光在玻璃球中的传播时间将变短
【答案】AD
【解析】从C点入射的光线,进入玻璃球后光线如图所示,设入射角为i,折射角为r,法线与直径AB夹角为θ,则根据几何关系??i,??2r而
可知,,进入玻璃时,光线沿顺时针偏转了,根据光的折射定律,
从B点射出时,光线沿顺时针又偏转了,
因此从B点的出射光相对C点入射光方向偏折了,A正确;
因此从B点的出射光相对C点入射光方向偏折了,A错误;
根据几何关系,足球的直径d?2Rsinr?R,B错误
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