高三物理选修3--4复习讲义(光学部分).doc
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2010高三物理复习讲义选修3---4续第16页共16页
光的折射全反射题型归纳
题型1:
由光直线传播原理分析影、小孔成像、成像原理、、人眼视觉等
解题要点:
(1)光的直线传播是有条件的!
(忽略衍射时)
(2)影的知识:
Ø本影:
发光面较大的光源在不透明的物体背后形成的光线完全达不到的区域。
本影区内的观察者看不到光源。
Ø半影:
发光面较大的光源在不透明的物体的后方形成的只有部分光可照射到的区域.半影区内的观察者只能看到光源的上面部分或下面部分。
Ø伪本影:
发光面较大的光源在不透明的物体的后方形成的只有光源的边缘部分发出的光可照射到的区域。
伪本影区内的观察者只能观察到光源的周围边缘部分
本影
半影
半影
伪本影
Ø月食成因:
月球在地球后面的影区内;月球不会发光,只有太阳光射到月球上时才能看到月球相应部分,且不论是全部太阳光射到还是只有部分能射到,均能看见它。
只有月球的某部分在地球的本影区内时才不会看到此部分,如不在本影区,则不论在半影还是伪本影区,地球上的观察者都能看到它。
不会发生月环食。
(3)常用相似三角形知识求解分析
例:
1.无影灯是多个大面积光源组合而成的,关于其照明效果,下列说法中正确的是( ).
(A)有本影 (B)有半影 (C)没有本影 (D)没有半影
例2.关于日食和月食,下列说法中正确的是( ).
(A)在月球的小影区里可看到日全食
(B)在月球的半影区里可看到日偏食
(C)在月球进入地球的半影区时,可看到月偏食
(D)在月球完全进入地球的本影区时,可看到月全食
例3:
如图所示.在距竖直墙MN左侧一段距离的A点有一小球,在球的左边、紧靠小球处有一固定的点光源S.给小球一向右的水平初速度,当小球在空中作平抛运动时,在小球碰墙以前,它在墙上的影f由上而下的运动是()
(A)匀速直线运动(B)自由落体运动
(C)变加速直线运动
(D)初述度为零的匀加迷直线运动,加速度a小于重力加速度g
题型2:
光的反射、平面镜成像规律应用
解题要点:
(1)基本情景:
一点光源射向平面镜的所有光线,其反射光线的反向延长线均相交于与此点光源对称的像点。
(2)反射光路图的画法:
首选利用像点对称的方法(涉及线段关系时),也可用反射定律画(涉及角度时)
(3)可用假设法和速度分解来分析相关的速度关系
例4:
平面镜与水平面成θ角,一点光源S位于镜前方,如图所示,当平面镜以水平速度v向右运动时,求点光源的像S′的移动速度.
例5.某人手持边长为6cm的正方形平面镜测量身后一棵树的高度。
测量时保持镜面与地面垂直,镜子与眼睛的距离为0.4m。
在某位置时,他在镜中恰好能够看到整棵树的像;然后他向前走了6.0m,发现用这个镜子长度的5/6就能看到整棵树的像。
这棵树的高度约为
A.4.0mB.4.5mC.5.0mD.5.5m
题型3:
光的折射定律一般应用
解题要点:
(1)基本关系:
①折射定律(又称斯涅尔定律):
当光从介质1射入介质2时,有;
其中角1和角2分别为在对应介质中的光线与法线所成的角,v1和v2是光在两种介质中传播的速度,λ1和λ2分别为光在两种介质中的波长。
注意一点,当某种光由一种介质射入一种介质过程中,这种光的频率保持不变,光速和波长同时变化(成正比)--v=λf
②某介质的折射率:
在某种光由真空(一般可把我们所在的空气与真空近似)射入某种介质的情景下,该介质折射率(C为真空中光速,v为光在此介质中的传播速度。
)
注意:
①由折射率概念可知,折射率与两个因素对应,光的种类(电磁波谱中一个位置对应一种光)和介质种类。
即说折射率时应清楚是对那种光在什么介质中的折射率!
②对同一介质,按电磁波谱频率由低到高的次序,折射率增大(可见光由红―紫n增大)
③同一种光在不同介质中传播时,在折射率大的介质中传播速度要小于在折射率小的介质传播速度。
④某种光在某介质的折射率一定大于1,是光线在介质中与法线所成的角中大角正弦与小角正弦的比,也是光在真空中速度c与光在此介质中速度之比。
折射率由光的颜色和介质种类共同决定。
折射率越大的介质,会使光在由其它介质进入此介质中时的传播方向离原入射方向偏折程度越大。
例6:
在折射率为n、厚度为d的玻璃平板上方的空气中有一点光源S,从S发出的光线SA以角度θ入射到玻璃板上表面,经过玻璃板后从下表面射出,如右图所示。
若沿此光线传播的光从光源到玻璃板上表面的传播时间与在玻璃板中的传播时间相等,点光源S到玻璃上表面的垂直距离ι应是多少?
若减小入射角θ,出射光线的侧移量将如何变化?
(2)光路可逆意义:
指逆着原出射方向入射时,必沿原入射方向射出。
(3)人眼感觉到物体所在的位置(像)其实是物体射向人眼的光线被介质偏折后进入人眼光线的反向沿长线处(虚像)或实际光线交汇处(实像)。
(4)光从真空射向介质时,如入射角由0增加到90度时,折射角由0增加到临界角C.而从介质射向真空时,入射角由0增加到C时,折射角由0增加到90度,而后入射角再增加,则发生全反射。
(5)计算时先画光路图且法线画得较长一些,便于寻找角度关系(两对应边均互相垂直的两个锐角必定相等);注意构建入射角和折射角对应的直角三角形(利用对顶角相等把两种三角形画在交界面的同一侧),把两角的正弦化为边的关系后运算。
例7:
如图所示,一储油圆桶,底面直径与桶高均为d。
当桶内无油时,从某点A恰能看到桶底边缘上的某点B。
当桶内油的深度等于桶高的一半时,在A点沿AB方向看去,看到桶底上的C点,C、B相距,由此可得油的折射率n=;光在油中传播的速度v=m/s。
(结果可用根式表示)
例8:
由某种透光物质制成的等腰直角棱镜ABO,两腰长都是16cm.为了测定这种物质的折射率,将棱镜放在直角坐标系中,并使两腰与ox、oy轴重合,如图所示.从OB边的C点注视A棱,发现A棱的视位置在OA边D点.在C、D两点插大头针,看出C点坐标位置(0,12)D点坐标位置(9,0),由此可计算出该物质的折射率为.
例9.一直杆AB的一部分竖直插入装满某种透明液体的柱形容器中,眼睛从容器的边缘D斜往下看去,发现直杆A端经液面反射的像恰好与B端经液体折射形成的像重合,如图所示,已知AB=6.5cm,AC=3cm,CD=5cm,该液体的折射率是 。
遮光板
望远镜
线光源
例10.如图,置于空气中的一不透明容器内盛满某种透明液体。
容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6.0cm长的线光源。
靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板,另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜,用来观察线光源。
开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分。
将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时,通过望远镜刚好可以看到线光源底端,再将线光源沿同一方向移动8.0cm,刚好可以看到其顶端。
求此液体的折射率
A
B
S1
S2
S0
S2′
C
D
图9
S1
S2′
(6)视深公式:
①如人眼从液面上方观察液体中物体,则视深比实深浅。
在垂直观察时相当小,有:
α
H
h
空气
水
S
β
R
r
S’
②如人眼在液体中看水面外上方物体时,视高比实高高。
可用光路可逆规律与上面相类似。
例11:
.水的折射率为4/3,空气的折射率为1.00,一潜水员自水下目测立于船头的观察者,距水面高为h1,而观察者目测潜水员距水面深h2,则:
A.潜水员实际深度大于h2,观察者实际高度大于h1
B.潜水员实际深度小于h2,观察者实际高度小于h1
C.潜水员实际深度大于h2,观察者实际高度小于h1
D.潜水员实际深度小于h2,观察者实际高度大于h1
题型4:
全反射情形
解题要点:
(1)当光由某介质射向真空(空气)时,折射角大于入射角(即光线偏离法线折射),如入射角由零逐渐增大至某角C时(C一定是锐角),折射角对应由零增大至90度,我们就把90度折射角对应的的那个入射角C称为临界角。
由折射定律知:
sinC=
折射率越大的介质,临界角越小,在入射角增大时,越先发生全反射。
(2)实验和理论均证明:
随着入射角的增大,反射光线的强度逐渐变强而折射光线强度逐渐变弱,在入射角达临界角C时,折射光线强度已达从有至无的临界状态,此后,如入射角继续增大,则只有反射光线而无折射光线(即光线全部在界面上反射而不会透射,此时界面可等效于一平面反射镜),这种现象称全反射。
(3)全反射条件:
①光由介质射向空气。
②入射角大于或等于临界角
(4)注意:
光在两种介质的交界面上继续传播时可能同时发生两种现象,反射、折射.如由空气射向介质,则两种现象都要发生,而光由介质射向空气中时,可能只发生反射而无折射(要看入射角与临界角大小比较,以确定是否发生全反射)。
例12:
在桌面上有一倒立的玻璃圆锥,其顶点恰好与桌面接触,圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直,过轴线的截面为等边三角形,如图所示。
有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的地面上,光束的中心轴与圆锥的轴重合。
已知玻璃的折射率为1.5,则光束在桌面上形成的光斑半径为:
A、rB、1.5rC、2rD、2.5r
例13.如题20图所示,空气中在一折射率为的玻璃柱体,其横截面是圆心角为90°、半径为R的扇形OAB,一束平行光平行于横截面,以45°入射角照射到OA上,OB不透光,若只考虑首次入射到圆弧上的光,则上有光透出部分的弧长为
ABCD
14、如图所示,一段横截面为正方形的玻璃棒,中间部分弯成四分之一圆弧形状,一细束单色光由MN端面的中点垂直射入,恰好能在弧面EF上发生全反射,然后垂直PQ端面射出。
①求该玻璃棒的折射率。
②若将入射光向N端平移,当第一次射到弧面EF上时_____(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射。
例15.如图所示,是两个城市间的光缆中的一条光导纤维,光缆长为L,它的玻璃芯的折
C
C
射率为n1,外层材料的折射率为n2,光在空气中的传播速度为c,光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出(C为全反射的临界角,已知sinC=n2/n1)则为
A.n1>n2,光从它的一端射入到从另一端射出所需要的时间等于L/c
B.n1 C.n1>n2,光从它的一端射入到从另一端射出所需要的时间等于n12L/(n2c) D.n1 (3)(光线通过方形玻璃砖或球形玻璃砖时,由光路可逆可知,只要光能进入,则一定能射出,即在出射界面上不可能发生全反射) 例16.下列关于光的全反射和光的色散的说法中,正确的是: A.光线通过方形玻璃砖时,在出射界面上不可能发生全反射 B.光线通过球形玻璃砖时,在出射界面上有可能发生全反射 C.光线通过三棱镜时,在出射界面上有可能发生全反射 D.复色光通过方形玻璃砖和球形玻璃砖时,一定会发生全反射 (2)如某一面上发生了全反射,则此面类同于一个平面镜,此面看上去将会很明亮且可反射成像(类平面镜成像) 例17: 水中(或玻璃中)的气泡看起来非常明亮;海市蜃楼人们可看到空中有各种景物;沙漠中的蜃景可在地面(沙面)看到物体类似在水中的倒影;炎热天气时看到柏油路面非常明亮等现象的理解 题型5: 视场问题----确定在某处的人眼可看到的景物或像的范围 解题要点: (1)可
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