《2019-2020学年高考物理 主题3 光及其应用 微型专题 几何光学的原理及应用课件（必修1）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019-2020学年高考物理 主题3 光及其应用 微型专题 几何光学的原理及应用课件（必修1）（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,微型专题 几何光学的原理及应用,主题3 光及其应用,学科素养与目标要求,物理观念：,1.知道光的直线传播规律. 2.知道光的反射定律、折射定律和全反射的规律. 3.知道光的可逆原理.,科学思维：,1.会根据几何光学的基本原理画出光路图. 2.会利用几何关系找出相应的角、边关系.,NEIRONGSUOYIN,内容索引,重点探究 启迪思维 探究重点,达标检测 检测评价 达标过关,微型专题练 克难解疑 精准高效,重点探究,一、几何光学的基本原理及应用,几何光学就是以光线为工具，研究光的传播规律.解几何光学的题目，首先根据几何光学的基本原理画出光路图，然后利用几何关系找出相应的角、边关系. 几何光学
2、研究的是光线传播的规律，主要包括五条基本规律. 1.光的直线传播规律：光在同一种均匀介质中沿直线传播 2.光的反射定律 (1)反射光线与入射光线、法线在同一平面内，反射光线、入射光线分居在法线两侧. (2)反射角等于入射角.,3.光的折射定律 折射光线与入射光线、法线在同一平面内，折射光线、入射光线分居在法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比.公式：n12 .其中1为入射光线与法线的夹角，2为折射光线与法线的夹角. 4.光的全反射规律 发生全反射的条件是： (1)由光密介质射向光疏介质； (2)入射角临界角C，其中sin C . 5.光的可逆原理 在反射、折射和直线传播中，光路都是可逆的.
3、,例1 如图1所示，一棱镜的截面为直角三角形ABC，A30，斜边ABa.棱镜材料的折射率为 .在此截面所在的平面内，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).,图1,答案 见解析,由已知条件及式得230 ,甲,如果入射光线在法线的左侧，光路图如图乙所示.,乙,设折射光线与AB边的交点为D.由几何关系可知，在D点的入射角60 ,由式和已知条件得C45 ,因此，光在D点发生全反射. 设此光线的出射点为E，由几何关系得 DEB90，BDa2AF BEBDsin 30 ,求解几何光学的题目首先要画出光路图，然后利用相应的公式
4、结合几何知识分析边、角关系.而光从光密介质射到光疏介质时，首先要判断是否发生了全反射.,二、全反射和临界角的综合问题,分析光的全反射、临界角问题的一般思路 (1)确定光是由光疏介质进入光密介质，还是由光密介质进入光疏介质. (2)若光是由光密介质进入光疏介质，根据公式sin C 确定临界角. (3)画出恰好发生全反射的光路图，利用几何知识分析边、角关系，找出临界角. (4)以恰好发生全反射的光线为比较对象来判断其他光线是否发生全反射，从而画出其他光线的光路图.,例2 (2018全国卷)如图2，ABC是一直角三棱镜的横截面，A90，B60.一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反
5、射后经AB边的F点射出.EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点.不计多次反射. (1)求出射光相对于D点的入射光的偏角；,答案 60,图2,解析 光线在BC面上发生折射，由折射定律有sin i1nsin r1 ,式中，n为棱镜的折射率，i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角.光线在AC面上发生全反射，由反射定律有i2r2 式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角.光线在AB面上发生折射，由折射定律有nsin i3sin r3 式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角. 由几何关系得i2r260，r1i330 ,F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为 (r
6、1i1)(180i2r2)(r3i3) 由式得 60 ,(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？,解析 光线在AC面上发生全反射，光线在AB面上不发生全发射，有 nsin i2nsin Cnsin i3 式中C是全反射临界角，满足nsin C1 ,学科素养 光在穿过有形介质时，往往要发生多次折射和反射，所以常把全反射现象和一般的折射问题综合起来考查.在解题时，要边计算、边作图、边考虑几何关系，三个环节同步进行，才能得到合理的情况.例2体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养.,针对训练 如图3所示，ABC为一透明材料制成的柱形光学元件的横截面，该种材料的折射率n ，AC是一半径为
7、R的 圆弧，O为圆弧的圆心，ABCO构成正方形，在O处有一点光源.从点光源射到圆弧AC的光线进入透明材料后首次射向AB或BC界面时，有一部分不能从AB或BC界面直接射出.下面的问题只研究进入透明材料后首次射向AB或BC界面的光线，已知AB面上的P点到A点的距离为 R.求： (1)从P点射出的光线的折射角；,图3,答案 60,解析 设射向P点的光线入射角为1，折射角为2，如图所示，,解得260,(2)AB和BC横截面上没有光线射出部分的总长度.,AB横截面没有光线射出部分的长度,两横截面上没有光线射出部分的总长度,达标检测,1.(几何光学的基本原理及应用)(2018四川资阳二诊)如图4所示，一个
8、三棱镜的截面为等腰直角ABC，腰长为a，A90.一束细光线沿此截面所在平面且平行于BC边的方向从真空射到AB边上的中点M，光在M点发生折射后射到AC边上，并刚好在AC边上发生全反射.已知真空中的光速为c，试求： (1)该棱镜材料的折射率n；,图4,1,2,3,答案 见解析,解析 设光从AB边射入时入射角为i，折射角为，射到AC边上N点时入射角为，作出光路图如图所示.,光在AC边上恰好发生全反射：,又由几何关系：90，i45,1,2,3,(2)光从AB边到AC边的传播时间t.,答案 见解析,1,2,3,2.(全反射和临界角的综合问题)用某种透明材料制成的一块柱体形棱镜的水平截面图如图5所示，左侧
9、ABOD为长方形，右侧DOF为以O为圆心的 圆.光线从真空以入射角160射到棱镜AB面，经折射后，光线到达BF面上的O点并恰好不从BF面射出. (1)画出光路图；,图5,1,2,3,答案 见解析图,解析 光路图如图所示,(2)求该棱镜的折射率n和光线在棱镜中传播的速度大小v(光在真空中的传播速度c3108 m/s).,1,2,3,1,2,3,由图可知，2C90,3.(全反射和临界角的综合问题)一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心，如图6所示，玻璃的折射率为n .,1,2,3,图6,(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，
10、则入射光束在AB上的最大宽度为多少？,答案 见解析,解析 在O点左侧，设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于发生全反射的临界角，则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图甲.,甲,由几何关系有OERsin 由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为l2OE ,1,2,3,(2)一细束光线在O点左侧与O相距 R处垂直于AB从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置.,答案 见解析,1,2,3,解析 设光线在距O点 R的C点射入后，在上表面的入射角为，由几何关系及式和已知条件得60 ,1,2,3,光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G点射出，如图乙，,乙,
11、射到G点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C点射出.,微型专题练,一、选择题 1.(2018西安中学高二第二学期期中)如图1所示，ABC为一直角三棱镜的横截面，BAC30，现有两条间距为d的平行单色光线垂直于AB面射入三棱镜，已知棱镜对该单色光的折射率为 .,1,2,3,4,5,6,7,图1,(1)若两条单色光线均能从AC面射出，求两条单色光线从AC面射出后的距离；,答案 见解析,解析 如图所示，两条单色光线在AC面的折射点分别为D、E，由图中几何关系可知，入射角i30,得r60 在直角三角形DEF中EDF30,1,2,3,4,5,6,7,(2)若第三条单色光线垂直于AB面射入三棱镜，到达AC
12、面恰好能发生全反射，若真空中光速为c，求这条光线在三棱镜中的传播速度.,1,2,3,4,5,6,7,答案 见解析,2.(2018唐山一中高二第二学期期中)如图2所示为安全防盗门上的观察孔(俗称“猫眼”)，直径为d，为了扩大向外观察的范围，在孔中完全嵌入折射率为n 的玻璃，玻璃由圆柱体和顶角为60的球冠组成，猫眼的平面部分正好和安全门内表面平齐，球冠的边缘恰好和防盗门外表面平齐.若要让房间里的人能看到门外全部的景象，门的厚度不能超过多少？,1,2,3,4,5,6,7,图2,解析 若要让房间的人能看到门外全部的景象，则沿平行门方向射向C处的光线能够折射经过A点即可.光路如图所示：,可得30 由几何
13、关系知CAB30,1,2,3,4,5,6,7,3.(2018青岛一中高二第二学期第一次模拟考试)如图3所示是一个半球形透明物体的侧视图，现在有一细束单色光沿半径OA方向入射，保持入射方向不变，不考虑光线在透明物体内部的反射.,图3,(1)将细光束平移到距O点 R处的C点，此时透明物体左侧恰好不再有光线射出，求透明物体对该单色光的折射率；,1,2,3,4,5,6,7,解析 如图甲所示，,1,2,3,4,5,6,7,甲,(2)若细光束平移到距O点0.5R处，求出射光线与OA轴线的交点与O点的距离.,1,2,3,4,5,6,7,解析 如图乙所示，,1,2,3,4,5,6,7,乙,由几何关系可知：FO
14、E30，OFE30，,1,2,3,4,5,6,7,4.(2018四川宜宾一诊)如图4所示，横截面为直角三角形的玻璃砖ABC，AC边长为L，B30.两条同种色光的光线P、Q，从AC边中点射入玻璃砖，其中光线P垂直AC边，光线Q与AC边夹角为45.发现光线Q第一次到达BC边后垂直BC边射出，已知真空中的光速为c.求： (1)玻璃砖的折射率.,1,2,3,4,5,6,7,图4,解析 作出光路图如图所示：,1,2,3,4,5,6,7,光线Q在AC边的入射角i45 由几何关系可知在AC边的折射角r30,(2)光线P由进入玻璃砖到第一次从BC边射出经过的时间.,1,2,3,4,5,6,7,5.如图5所示，
15、圆形的光学仪器(斜线阴影)内有一个半径为2R的圆形空腔，空腔左面侧壁上有一台激光器，可以沿空腔的直径方向发出在真空中速度为c的激光束.空腔中放置了一个比空腔略小(半径可视为2R)的折射率为2的透明圆柱状光学材料，光学材料的圆心在空腔的圆心O点，并且材料中被挖掉了一块半径为R的截面为半圆形的柱体(圆心和O点重合)，挖掉的部分为真空.(反射与折射在同一界面时只考虑折射) (1)求激光从发出到照射到空腔壁的时间.,图5,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,(2)激光器始终开启，若光学材料围绕空腔圆心O点顺时针转动90，空腔壁上能被激光照射到的圆弧长度为多少？(只考虑反射光线照射的圆弧长度),1,2,3,4,5,6,7,6.如图6所示，由两种不同透明介质制成的直角三棱镜甲和乙，并排放在一起刚好构成一截面为正三角形的棱镜，甲的折射率为n11.5，一细光束由AB边的中点O斜射入棱镜甲，已知入射光线在AB边的入射角的正弦值为sin i0.75，经折射后该光束刚好在棱镜乙的AC边发生全反射，最后从BC边射出，已知真空中的光速为c3108 m/s，AB边的长度为l6 cm，求该细光束在棱镜中的传播时
