1、第第 4 章章 光的折射和全反射光的折射和全反射 一、光的折射与全反射 1正确、灵活地理解应用折射率公式 (1)公式为 nsin i sin r(i 为真空中的入射角,r 为某介质中的折射角)。 (2)根据光路可逆原理,入射角、折射角是可以随光路的逆向而“换位”的,我们 可以这样来理解、记忆:折射率等于真空中光线与法线夹角的正弦跟介质中光线 与法线夹角的正弦之比。 2光的频率、折射率 n 的理解与应用 (1)同一介质对紫光折射率大,对红光折射率小,重点理解两点:光的频率由光 源决定,与介质无关;同一介质中,频率越大的光折射率越大。 (2)应用 nc v,能准确而迅速地判断出有关光在介质中的传播
2、速度、波长、入射光 线与折射光线偏折程度等问题。 3全反射的条件及临界角 (1)光从光密介质射入光疏介质,且入射角大于等于临界角。 (2)sin C1 n。 【例 1】 如图所示,ABCD 是一直角梯形棱镜的横截面,位于截面所在平面内的 一束光线由 O 点垂直 AD 边射入。已知棱镜的折射率 n 2,ABBC8 cm, OA2 cm,OAB60 。 (1)求光线第一次射出棱镜时,出射光线的方向; (2)第一次的出射点距 C 的距离。 答案 (1)从 CD 边射出,与 CD 边成 45 斜向左下方 (2)4 3 3 cm 解析 (1)设发生全反射的临界角为 C,由折射定律得 sin C1 n 代
3、入数据得 C45 光路图如图所示,由几何知识可知光线在 AB 边和 BC 边的入射角均为 60 ,均发 生全反射。设光线在 CD 边的入射角为 ,折射角为 ,由几何关系得 30 , 小于临界角,光线第一次射出棱镜是在 CD 边,由折射定律得 nsin sin 代入数据得 45 即光从 CD 边射出,与 CD 边成 45 斜向左下方。 (2)根据几何关系得 AF4 cm 则 BF4 cm,BFGBGF 则 BG4 cm,所以 GC4 cm 所以 CE4 3 3 cm。 【针对训练 1】 (多选)固定的半圆形玻璃砖的横截面如图,O 点为圆心,OO为 直径 MN 的垂线。足够大的光屏 PQ 紧靠玻璃
4、砖右侧且垂直于 MN。由 A、B 两种 单色光组成的一束光沿半径方向射向 O 点,入射光线与 OO夹角 较小时,光屏 NQ 区域出现两个光斑,逐渐增大角,当时,光屏 NQ 区域 A 光的光斑 消失,继续增大 角,当 时,光屏 NQ 区域 B 光的光斑消失,则( ) A玻璃砖对 A 光的折射率比对 B 光的大 BA 光在玻璃砖中传播速度比 B 光的大 C 时,光屏上只有 1 个光斑 D 2时,光屏上只有 1 个光斑 答案 AD 解析 随入射角增大最先消失的是 A 光,所以 A 光的临界角小于 B 光的临界角, 根据 sin C1 n可知 nAnB, 选项 A 正确; 又由 n c v知 A 光在
5、玻璃砖中的传播速度 小于 B 光,B 错误;反射光线从玻璃砖的右侧射出,在 NP 部分会一直有一个 AB 光重合的光斑。 所以 时, B 光不会发生全反射, 在光屏上会有两个光斑, 选项 C 错误; 2时,两种光都发生全反射,光屏上只有一个光斑出现在 NP 部分,选项 D 正确。 二、介质折射率的测量 1利用折射定律测定液体的折射率 所需器材: (1)一根标有刻度的毫米刻度尺;(2)装满待测透明液体的圆柱形玻璃杯。 方法如下: 将刻度尺紧挨着杯壁竖直插入杯中,如图所示,在刻度尺的对面观察液面,能 同时看到刻度尺在液体中的部分和露出液面的部分; 调整视线,直到眼睛从杯子的边缘 D 往下看时,刻度
6、尺上端某刻度 A 经液面反 射后形成的像与看到的刻度尺在液体中的某刻度 B 重合; 读出 O、A、B、C 四处所对应的刻度值; 量出玻璃杯的直径 d; 根据几何关系可知 sin1 d CD d d2OC2,sin2 d BD d d2OB2,则 n sin1 sin2 d2OB2 d2OC2。 2应用全反射测定液体的折射率 用一个圆形软木塞, 在其中心处竖直地倒插一枚大头针, 使其漂浮在待测液体中, 如图所示。 调整大头针的插入深度,使观察者在液体上方的任一位置恰好都看不到大头针的 顶部 S,可知从 S 发出的光线,在木塞边缘的液体与空气的界面处恰好发生了全 反射。此时的入射角1 即光发生全反
7、射的临界角 C。测出木塞的半径 r 和大头 针顶部的深度 h,则有 sin1 r r2h2 1 n,故液体的折射率 n r2h2 r 。 【例 2】 如图所示圆柱形容器的底面直径和高度相等, 当在 S 处沿容器边缘 A 观 察空容器时,刚好看到容器底圆周上的 B 点。保持观察点位置方向不变,将筒中 注满某种液体,可看到容器底中心点,试求这种液体的折射率多大? 答案 10 2 解析 作出装满液体后的光路图 如图所示。设圆柱形容器底面直径和高度均为 h。由几何知识得:入射角的正弦 为 sin i OC (OC)2(AC)2 1 2h 1 2h 2 h2 1 5; 折射角的正弦为 sin rsin
8、45 2 2 ,所以这种液体的折射率为 nsin r sin i 2 2 1 5 10 2 。 【针对训练 2】 一直桶状容器的高为 2l,底面是边长为 l 的正方形,容器内装满 某种透明液体。过容器中心轴 DD、垂直于左右两侧面的剖面图如图所示。容器 右侧内壁涂有反光材料, 其他内壁涂有吸光材料。 在剖面的左下角处有一点光源, 已知由液体上表面的 D 点射出的两束光线相互垂直,求该液体的折射率。 答案 1.55 解析 设从点光源发出的光直接射到 D 点的光线的入射角为 i1,折射角为 r1。在 剖面内作点光源相对于反光壁的对称点 C,连接 C、D,交反光壁于 E 点,由点 光源射向 E 点的光线,反射后沿 ED 射向 D 点。光线在 D 点的入射角为 i2,折射 角为 r2,如图所示。设液体的折射率为 n,由折射定律有 nsin i1sin r1 nsin i2sin r2 由题意知 r1r290 联立式得 n2 1 sin2i1sin2i2 由几何关系可知 sin i1 l 2 4l2l 2 4 1 17 sin i2 3 2l 4l29l 2 4 3 5 联立式得 n1.55。