【物理】2018届一轮复习人教版15-1光的反射和折射学案

【物理】2018届一轮复习人教版15-1光的反射和折射学案

专题15.1 光的反射和折射 课前预习 ● 自我检测 ‎1. 关于折射率，下列说法正确的是(　　) ‎ A．某种介质的折射率等于光在介质中传播速度v和光在真空中的传播速度c的比值 B．折射角和入射角的大小决定着折射率的大小 C．两种介质相比较，折射率小的介质折光性较差 D．任何介质的折射率都大于1‎ E．折射率的大小由介质本身决定 ‎【答案】　CDE ‎2. 如图所示，光在真空和某介质的界面MN上发生折射，由图可知(　　)‎ A．光是从真空射入介质的 B．光是由介质射入真空的 C．介质的折射率为 D．介质的折射率为 E．反射光线与折射光线的夹角为90°‎ ‎【答案】　BDE ‎【解析】　根据题图可知，入射角为30°，折射角为60°，反射光线与折射光线垂直，光是从介质射入真空的，折射率n＝＝＝，只有B、D、E正确．‎ ‎3．假设地球表面不存在大气层，那么人们观察到的日出时刻与实际存在大气层的情况相比将________(填“提前”或“延后”)。‎ ‎【答案】　延后 ‎【解析】　假如地球周围没有大气层，太阳光将沿直线传播，如图所示．‎ 在地球上B点的人们将在太阳到达A′点时看到日出；而地球表面有大气层，由于空气的折射率大于1，并且离地球表面越近，大气层越密，折射率越大，太阳光将沿如图所示AB曲线射入在B处的人眼中，使在B处的人看到了日出．但B处的人认为光是沿直线传播，则认为太阳位于地平线上的A′点，而此时太阳还在地平线下，日出的时间提前了，所以无大气层时日出的时间将延后．‎ ‎4．如果光线以大小相等的入射角，从真空射入不同介质，若介质的折射率越大，则折射角越________，说明折射光线偏离原来方向的程度越________. ‎ ‎ 【答案】　小　大 课堂讲练 ● 典例分析 ‎【要点提炼】‎ 一：反射定律和折射定律 ‎1．光的反射 ‎(1)定义 光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象．‎ ‎(2)反射定律 反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角．‎ ‎2．光的折射和折射定律 ‎ 光的折射 光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光进入第2种介质的现象 入射角折射角 入射角：入射光线与法线的夹角 折射角：折射光线与法线的夹角 折射定律 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，即＝n12‎ 光路可逆性 在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的.‎ 二：折射率 ‎1．物理意义 反映介质的光学性质的物理量．‎ ‎2．定义 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，简称折射率，即n＝.‎ ‎3．折射率与光速的关系 某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝.‎ ‎4．特点 任何介质的折射率都大于1.‎ 三;测定玻璃的折射率 ‎1．实验目的 掌握测玻璃折射率的方法；加深对折射定律的理解．‎ ‎2．实验过程 用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测入射角i和折射角r，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝.‎ ‎3．实验器材 玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔．‎ ‎4．实验步骤 ‎(1)如图所示，把白纸用图钉钉在木板上．在白纸上画一条直线aa′作为玻璃砖的上界面，画一条线段AO作为入射光线，并过O点画出界面aa′的法线NN′.‎ ‎(2)把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边跟aa′严格对齐，并画出玻璃砖的另一个长边bb′.‎ ‎(3)在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2.‎ ‎(4)眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使B把A挡住，在眼睛这侧沿视线方向插上大头针P3，使它把P1、P2挡住．‎ ‎(5)用同样的方法在玻璃砖的bb′一侧再插上大头针P4，使P4能同时挡住P3本身和P1，P2的虚像．记下P3、P4的位置，移去玻璃砖和大头针．过P3、P4引直线O′B与bb′交于O′点，连接O、O′两点，OO′就是入射光AO在玻璃砖内的折射光线的方向．入射角i＝∠AON，折射角r＝∠O′ON′.‎ ‎(6)用量角器量出入射角i和折射角r.从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值，记录在自己设计的表格里．‎ ‎(7)用上面的方法分别测出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角．查出入射角和折射角的正弦值，把这些数据也记录在上述的表格里．‎ ‎(8)计算出不同入射角时的值．比较一下，看它们是否接近一个常数．求出几次实验中测得的的平均值，就是玻璃的折射率．‎ ‎5．注意事项 ‎(1)玻璃砖的上折射面必须与直线aa′严格对齐，才能准确地确定法线，准确地画出入射角和折射角．‎ ‎(2)实验时，尽可能将大头针竖直地插在纸上，且P1和P2之间、P2和O之间、P3和P4之间、P3和O′之间距离要稍大一些．重合的时候要看玻璃砖里面的像，而不是看玻璃砖上面的大头针的头部．‎ ‎(3)入射角i应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜过大，在操作时，手不能触摸玻璃砖光洁的光学面，更不能用玻璃砖的界面代替直尺画界线．‎ ‎(4)在实验的过程中玻璃砖与白纸的位置都不能改变．‎ ‎6．数据处理及误差分析 此实验是通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝中求玻璃的折射率．除运用此方法之外，还有以下处理数据的方法：‎ 在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OO′(或OO′的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图所示．‎ 由于sin α＝，sin β＝.‎ 而CO＝DO，所以折射率n1＝＝.‎ 重复以上实验，求得各次折射率，然后求其平均值即为玻璃折射率的测量值．‎ 典例分析：‎ ‎【典例1】.如图所示，虚线表示两种介质的界面及其法线，实线表示一条光线射向界面后发生反射和折射的光线，以下说法正确的是(　　) ‎ A．bO可能是入射光线 B．aO可能是入射光线 C．cO可能是入射光线 D．Ob可能是反射光线 E．PQ可能是法线 ‎【答案】　BDE ‎【典例2】‎ ‎．如图所示，落山的太阳看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况．造成这种现象的原因是什么？‎ ‎【答案】　光的折射 ‎【解析】　太阳光线进入大气层发生折射，使传播方向改变，使人感觉太阳的位置比实际位置偏高．‎ ‎【总结反思】‎ ‎1．光的方向 光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化(斜射)，并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化．‎ ‎2．入射角与折射角的大小关系 光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定．当光从真空斜射入介质时，入射角大于折射角；当光从介质斜射入真空时，入射角小于折射角．‎ ‎3．在反射、折射现象中，光路都是可逆的．‎ ‎【典例3】．一束光由空气射入某介质时，入射光线与反射光线间的夹角为90°，折射光线与反射光线间的夹角为105°，则该介质的折射率n＝______，光在该介质中的传播速度v＝____c．(c为真空中光速) ‎ ‎【答案】　　 ‎【总结反思】‎ ‎1．关于正弦值 当光由真空射入某种介质中，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值之比是一个常数．‎ ‎2．关于常数n 入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映着该介质的光学特性．‎ ‎3．光传播速度 介质的折射率n跟光在其中的传播速率v有关，即n＝，由于光在真空中的传播速率c大于光在任何介质中的传播速率v，所以任何介质的折射率n都大于1.因此，光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角；而光由介质斜射入真空时，入射角均小于折射角．‎ ‎4．决定因素 介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小只能由介质本身及光的性质共同决定，不随入射角、折射角的变化而变化．‎ ‎5.注意事项 ‎（1）折射率的定义式中θ1为真空(空气)中的光线与法线的夹角，不一定是入射角；θ2为介质中的光线与法线的夹角，也不一定是折射角. ‎（2）介质的折射率与介质的密度没有必然的联系.密度大，折射率未必大，如水和酒精，水的密度较大，但水的折射率较小.‎ ‎【典例4】．在“测定玻璃折射率”的实验中：‎ ‎(1)操作步骤如下：‎ ‎①先在白纸上画出一条直线aa′代表两种介质的界面，过aa′上的O点画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线．‎ ‎②把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐．‎ ‎③在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像．调整视线方向，直到P1的像被P2挡住．再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P1、P2的像和P3，记下P3、P4的位置．‎ ‎④移去大头针和玻璃砖，连接P3、P4作为折射光线，测量出入射角θ1与折射角θ2，填入表格中．‎ 上述操作步骤中存在严重的缺漏，应做的补充是________________________________‎ ‎________________________________________________________________________.‎ ‎(2)实验中测出了多组入射角θ1与折射角θ2，并作出了sin θ1－sin θ2图象如图所示．则下列说法正确的________．‎ A．实验时，光线是由空气射入玻璃 B．玻璃的折射率为0.67‎ C．玻璃的折射率为1.5‎ ‎【答案】　(1)见解析．　(2)C ‎【解析】　(1)步骤②中应在白纸上画出玻璃砖的另一个界面bb′，步骤④中应通过P3，P4的连线与bb′的交点O′和aa′上的入射点O，作出玻璃砖中的光线OO′.‎ ‎【典例5】由某种透明物质制成的等腰直角棱镜AOB，两腰都为‎16 cm，且两腰与Ox与Oy轴都重合，如图所示，从BO边的C点注视A点，发现A点的位置在D点，在C、D两点插上大头针，测出C点的坐标为(0,12)，D点的坐标为(9,0)，由此可以算出该透明物质的折射率为多大？ ‎ ‎【答案】　 ‎【解析】　假设从A点发出一条光线射在C点，经折射后，射入眼睛．当逆着折射光线看去，好似光线是从D点射出．‎ sin θ1＝cos∠ACO＝＝ sin θ2＝cos ∠DCO＝＝ 所以，该透明物质的折射率 n＝＝＝.‎ 课后巩固 ● 课时作业 ‎1．如图所示，一玻璃柱体的横截面为半圆形．细的单色光束从空气射向柱体的O点(半圆的圆心)，产生反射光束1和透射光束2.已知玻璃柱的折射率为，入射角为45°(相应的折射角为24°)．现保持入射光不变，将半圆柱绕通过O点垂直于纸面的轴线顺时针转过15°，如图中虚线所示，则(　　)‎ A．光束1转过15°‎ B．光束1转过30°‎ C．光束2转过的角度小于15°‎ D．光束2转过的角度大于15°‎ ‎【答案】BC ‎2．一条光线以40°的入射角从真空射到平板透明材料上，光的一部分被反射，一部分被折射，折射光线与反射光线的夹角可能是(　　)‎ A．小于40° B．在50°～100°之间 C．在100°～140°之间 D．大于140°‎ ‎【答案】C　‎ ‎【解析】‎ 由＝n>1，得折射角θ2<θ1＝40°，由反射定律得θ3＝θ1＝40°，如图所示，故折射光线与反射光线的夹角φ＝180°－θ3－θ2＝140°－θ2，所以100°<φ<140°.‎ ‎3．有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种介质，光线的传播方向以及光线与介质分界面的夹角如图所示，由此可以判断(　　)‎ A．光在介质Ⅱ中传播的速度最小 B．介质Ⅲ的折射率最小 C．光在介质Ⅰ中的传播速度最大 D．介质Ⅲ的折射率最大 ‎　【答案】AB ‎4．如图所示，有玻璃三棱镜ABC，顶角A为30°，一束光线垂直于AB射入棱镜，从AC射出进入空气，测得出射光线与入射光线夹角为30°，则棱镜的折射率为(　　)‎ A. B. C. D. ‎【答案】C　‎ ‎【解析】顶角A为30°，则光从AC面射出时，在玻璃中的入射角θ1＝30°.由于出射光线和入射光线的夹角为30°，所以折射角θ2＝60°.由光路可逆和折射率的定义可知n＝＝，C项正确．‎ ‎5．如图所示，两块相同的玻璃直角三棱镜ABC，两者的AC面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知透明介质．一单色细光束O垂直于AB面入射，在图示的出射光线中(　　)‎ A．1、2、3(彼此平行)中的任一条都有可能 B．4、5、6(彼此平行)中的任一条都有可能 C．7、8、9(彼此平行)中的任一条都有可能 D．1、2、3、4、5、6、7、8、9中的任一条都有可能 ‎【答案】B　‎ ‎【解析】光束射到AC面进入未知的透明介质将发生折射，如何折射需要比较未知介质与玻璃的折射率，若未知介质折射率大于玻璃，则折射光偏离水平线向上；若未知介质折射率小于玻璃，则折射光偏离水平线向下；还有可能是未知介质与玻璃的折射率相同，不发生折射的特殊情形．但无论是哪一种可能情形，折射光射到倒立玻璃三棱镜再次折射后一定沿原的方向射出．故4、5、6中的任一条都有可能，B项对．‎ ‎6．如图所示，把由同种材料(玻璃)制成的厚度为d的立方体A和半径为d的半球体B分别放在报纸上，从正上方(对B说是最高点)竖直向下分别观察A、B中心处报纸上的字，下面的说法正确的是(　　)‎ A．看到A中的字比B中的字高 B．看到B中的字比A中的字高 C．看到A、B中的字一样高 D．A中的字比没有玻璃时的高，B中的字和没有玻璃时的一样 ‎【答案】AD　‎ ‎7．一条光线从空气射入折射率为的介质中，入射角为45°，在界面上入射光的一部分被反射，另一部分被折射，则反射光线和折射光线的夹角是多大？‎ ‎【答案】　105°‎ ‎【解析】　如图所示，‎ 根据折射定律＝n，则sin θ2＝＝＝，θ2＝30°，反射光线与折射光线的夹角是105°.‎ ‎8.两束细平行光a和b相距d，从空气中相互平行地斜射到长方体玻璃砖的上表面，如图所示，若玻璃对a的折射率大于对b的折射率，当它们从玻璃砖的下表面射出后，两束光________(仍平行或不平行)，间距________d(填“＝”“＜”或“＞”)．‎ ‎【答案】　仍平行　＜‎ ‎【解析】　如图所示，‎ ‎9．如图所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率．在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3，图中MN为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点．‎ ‎(1)设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO的长度为l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量的有________，则玻璃砖的折射率可表示为________．‎ ‎(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度，由此测得玻璃砖的折射率将________(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)．‎ ‎【答案】　(1)l1、l3　　(2)偏大 ‎【解析】　(1)n＝＝＝，即需用刻度尺测量的有l1和l3.n＝.‎ ‎(2)玻璃砖以O为圆心顺时针转，则其法线也顺时针转，设转过小角度α.由作图得n测＝，而事实n真＝.由三角函数知n测＞n真，即偏大．‎ ‎10．如图所示，一棱镜的横截面为直角三角形ABC，∠A＝30°，斜边AB＝a.棱镜材料的折射率为n＝.在此横截面所在的平面内，一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜．画出光路图，并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况). ‎ ‎【答案】　见解析 ‎11．光线以60°的入射角从空气射入玻璃中，折射光线与反射光线恰好垂直．(真空中的光速c＝3.0×‎108 m/s)‎ ‎(1)画出折射光路图；‎ ‎(2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播速度；‎ ‎(3)当入射角变为45°时，折射角等于多大？‎ ‎(4)当入射角增大或减小时，玻璃的折射率是否变化？说明理由．‎ ‎【答案】　(1)图见解析　(2)　1.7×‎108 m/s ‎(3)arcsin　(4)不会变化 ‎【解析】　(1)由题意知入射角θ1＝60°，反射角β＝60°，折射角θ2＝180°－60°－90°＝30°，折射光路图如图所示 ‎(2)n＝＝＝，‎ 根据n＝得v＝＝ m/s≈1.7×‎108 m/s.‎ ‎(4)折射率不会变化，折射率反映介质的光学性质，而跟入射角的大小无关．‎