第四讲 光现象初步 第三节 光的折射-2021年初中物理竞赛及自主招生专题讲义(附详解)
【内容简介】当光由一种介质斜射入另一种介质中时,光的传播路径发生偏折的现象叫做光的折射。光的折射遵从折射定律,它由荷兰物理学家斯涅耳发现。(一)折射定律如图2.94所示,在光的折射现象中,折射光线、入射光线和法线在同一平面内;折射光线和人射光线分居法线两侧;当光从真空斜射入其他介质时,入射角 与折射角 满足 ,式中 叫做介质的折射率。一般说来,介质的折射率只与介质种类有关。表2.1给出了几种介质对光的折射率。 表2.1介质折射率真空1空气1.0003水1.33玻璃1.4~1.9酒精1.36冰1.309折射率反映了介质对光折射本领的强弱,折射率越大,介质对光的折射能力越强。同一介质对各种色光的折射率并不相同,红光的折射率最小,紫光的折射率最大,这也是白光通过三棱镜后能发生色散的原因。表2.1实际上给出的是各种介质对黄光的折射率。由于空气的折射率非常接近于真空,空气的折射率也往往被认为等于1。例1 如图2.95所示,水池的宽度为 ,在水池右侧距离池底高度为 处有一激光束,水池内无水时恰好在水池的左下角产生一个光斑。已知 ,现向水池内注水,水面匀速上升,则光斑( )。A.匀速向右移动,且移动速度小于水面上升的速度B.匀速向右移动,且移动速度大于水面上升的速度C.减速向右移动,但速度始终大于水面上升的速度D.加速向右移动,但速度始终小于水面上升的速度分析与解 如图2.96所示,设经过时间 ,水面匀速上升的高度为 ,则水面上升的速度为 ,此时光斑由 点移动到 点,设入射角为 ,折射角为 ,则由几何关系可知 长度为 ,因为图中 ,所以 ,因此 ,则光斑的速度 ,且 大小不变,本题正确选项为A项。例2 如图2.97所示,一上下表面平行的玻璃砖,折射率 ,厚度为 。某单色光以入射角 从上表面的 点射入,试画出光线穿过玻璃砖的光路图,并计算光线穿出玻璃砖时的偏移量。 分析与解 由折射定律知,在 点折射时,折射角 满足 , 。设光线从下表面的 点穿出,则第二次折射的入射角为 ,对应的折射角为 ,可知光线 与 平行。光路图如图2.98所示。将光线 反向延长,设侧移量为 ,则由图中几何关系,有 ,而 ,即 ,代入数据得 。(二)光的全反射当光由水或其他介质斜射向空气时,在分界面上,有一部分光线会发生反射而返回到原介质中,另一部分光线发生折射,折射角大于入射角,从而折射光线远离法线。当入射角增大时,折射角也会随之增大,同时折射光强度变弱,反射光强度增强。当入射角增大到某一值 (还未到 )时,折射角就已经达到 ,折射光线与界面重合。如果入射角再增大,折射光会消失,而只有反射光,这种现象叫做光的全反射。整个过程如图2.99(a)~(c)所示。使折射角恰好等于时的入射角称为临界角。当光从水或玻璃棱镜里射向它们和空气的分界面时,只要入射角大于临界角,光就全部反射回水或玻璃棱镜中。根据折射定律,可以求得介质的临界角 ,由 ,得 。
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