2025年高二物理上學(xué)期專題十光的折射與全反射一、光的折射現(xiàn)象與基本規(guī)律當(dāng)光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為光的折射。這一現(xiàn)象在日常生活中普遍存在，例如插入水中的筷子看起來(lái)“彎折”、海市蜃樓的形成、透鏡成像等均源于光的折射。折射現(xiàn)象的本質(zhì)是光在不同介質(zhì)中傳播速度的差異，其傳播速度由介質(zhì)的折射率決定。1.1折射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)折射定律（斯涅爾定律）是描述折射現(xiàn)象的核心規(guī)律，可表述為：折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分居法線兩側(cè)；入射角的正弦值與折射角的正弦值之比為一常數(shù)，即(\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=n_{21})，其中(n_{21})稱為第二種介質(zhì)相對(duì)于第一種介質(zhì)的相對(duì)折射率。若光從真空（或空氣，近似真空）射入某種介質(zhì)，則該介質(zhì)的絕對(duì)折射率(n=\frac{\sin\theta_{\text{真空}}}{\sin\theta_{\text{介質(zhì)}}})，且(n=\frac{c}{v})（(c)為真空中光速，(v)為介質(zhì)中光速）。由于(v<c)，任何介質(zhì)的絕對(duì)折射率均大于1，且折射率越大，光在介質(zhì)中傳播速度越慢。1.2折射率的物理意義與影響因素折射率是介質(zhì)的固有屬性，其大小由介質(zhì)本身及光的頻率共同決定：介質(zhì)性質(zhì)：密度越大、分子極性越強(qiáng)的介質(zhì)，折射率通常越大（如玻璃(n\approx1.5)，水(n\approx1.33)）；光的頻率：同一介質(zhì)對(duì)高頻光（如紫光）的折射率大于低頻光（如紅光），這一現(xiàn)象稱為色散，是彩虹形成的原因。二、全反射現(xiàn)象及其應(yīng)用當(dāng)光從光密介質(zhì)（折射率較大）射向光疏介質(zhì)（折射率較?。r(shí)，若入射角增大到某一臨界值，折射光線將消失，全部光線被反射回原介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為全反射。2.1全反射的條件與臨界角全反射發(fā)生需滿足兩個(gè)條件：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)（如從水射向空氣）；入射角大于或等于臨界角。臨界角(C)是折射角為90°時(shí)的入射角，由折射定律可得(\sinC=\frac{n_{\text{疏}}}{n_{\text{密}}})。若光疏介質(zhì)為空氣（(n_{\text{疏}}\approx1)），則(C=\arcsin\left(\frac{1}{n}\right))。例如，水對(duì)空氣的臨界角約為48.8°，玻璃約為42°。2.2全反射的典型應(yīng)用全反射因能量損失小、光路可控等特點(diǎn)，在科技與生活中應(yīng)用廣泛：（1）光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代通信的核心器件，其結(jié)構(gòu)由折射率較高的內(nèi)芯和折射率較低的外套組成。光在光纖內(nèi)芯中通過(guò)連續(xù)全反射向前傳播，信號(hào)損耗極低，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高速通信。一根光纖可同時(shí)傳輸數(shù)萬(wàn)路電話或數(shù)十套電視信號(hào)，是信息時(shí)代的“信息高速公路”。（2）全反射棱鏡全反射棱鏡利用臨界角較小的特性（如玻璃棱鏡臨界角約42°），通過(guò)90°或180°反射改變光路。與平面鏡相比，全反射棱鏡反射率更高（接近100%），且無(wú)需鍍膜，常用于潛望鏡、望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)取景器等光學(xué)儀器中。（3）海市蜃樓與沙漠蜃景海市蜃樓：夏季海面上方空氣下層溫度低、密度大（光密介質(zhì)），上層溫度高、密度小（光疏介質(zhì)）。遠(yuǎn)處景物反射的光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，發(fā)生全反射后進(jìn)入人眼，使人看到空中“樓閣”。沙漠蜃景：沙漠地表空氣下層溫度高、密度?。ü馐杞橘|(zhì)），上層溫度低、密度大（光密介質(zhì)）。地面反射的光向上傳播時(shí)發(fā)生全反射，使人看到遠(yuǎn)處地面“有水”的假象。三、光的折射與全反射定量計(jì)算3.1折射率與光路可逆性的應(yīng)用光路可逆性是解決折射問(wèn)題的重要思想：若光沿原折射光線方向入射，則折射光線必沿原入射光線方向射出。例如，在測(cè)定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量入射角與折射角的正弦值之比，即可計(jì)算玻璃的折射率。3.2臨界角的計(jì)算與全反射臨界條件分析例題：一束光從折射率為(\sqrt{3})的玻璃射向空氣，求：（1）臨界角(C)；（2）若入射角為30°，折射角多大？（3）若入射角為60°，光線如何傳播？解答：（1）由(\sinC=\frac{1}{n}=\frac{1}{\sqrt{3}}\approx0.577)，得(C\approx35.3^\circ)；（2）入射角30°<C，發(fā)生折射，由(\frac{\sin30^\circ}{\sin\theta_2}=\frac{1}{\sqrt{3}})，得(\sin\theta_2=\frac{\sqrt{3}}{2})，(\theta_2=60^\circ)；（3）入射角60°>C，發(fā)生全反射，反射角等于60°。3.3多層介質(zhì)折射與全反射綜合問(wèn)題當(dāng)光通過(guò)多層介質(zhì)時(shí)，需逐層應(yīng)用折射定律分析。例如，光從空氣（(n_1=1)）射入玻璃（(n_2=1.5)），再射入水（(n_3=1.33)），則總折射率關(guān)系為(\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_3}=\frac{n_3}{n_1})，即中間介質(zhì)的影響可忽略，等效于光直接從空氣射入水。四、光的折射與全反射實(shí)驗(yàn)探究4.1測(cè)定玻璃折射率（插針?lè)ǎ?shí)驗(yàn)原理：利用光的折射定律，通過(guò)確定入射光線與折射光線的位置，測(cè)量入射角與折射角，計(jì)算(\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=n)。實(shí)驗(yàn)步驟：在白紙上鋪放玻璃磚，畫(huà)出玻璃磚上表面法線；沿法線一側(cè)斜射一束激光，在玻璃磚另一側(cè)插兩枚大頭針，確定折射光線位置；用量角器測(cè)量入射角(\theta_1)與折射角(\theta_2)，多次測(cè)量取平均值計(jì)算(n)。誤差分析：入射角過(guò)小會(huì)導(dǎo)致折射角測(cè)量誤差增大，實(shí)驗(yàn)中入射角宜控制在30°~60°之間。4.2全反射演示實(shí)驗(yàn)將半圓形玻璃磚的直邊與水面接觸，用激光從圓弧面垂直入射（不改變方向），當(dāng)入射角從0°逐漸增大至臨界角時(shí)，折射光線突然消失，反射光線強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，直觀展示全反射現(xiàn)象。五、光的折射與全反射在自然界與技術(shù)中的拓展5.1生物中的全反射現(xiàn)象某些動(dòng)物利用全反射原理實(shí)現(xiàn)生存適應(yīng)：貓眼：貓眼球后部的反光膜可將進(jìn)入眼睛的光線全反射，增強(qiáng)夜視能力；魚(yú)眼：魚(yú)眼晶狀體折射率遠(yuǎn)大于水，光線進(jìn)入魚(yú)眼時(shí)折射角小，視野范圍更廣。5.2現(xiàn)代科技中的創(chuàng)新應(yīng)用光學(xué)傳感器：利用全反射原理制成的液位傳感器，當(dāng)液體達(dá)到臨界位置時(shí)，光路因全反射被阻斷，觸發(fā)報(bào)警；AR/VR眼鏡：通過(guò)全反射棱鏡將微顯示屏的圖像導(dǎo)入人眼，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)疊加，提升顯示清晰度。六、常見(jiàn)問(wèn)題與解題技巧6.1易錯(cuò)點(diǎn)辨析混淆入射角與折射角：需明確入射光線與法線的夾角為入射角，折射光線與法線的夾角為折射角；忽略全反射條件：當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，無(wú)論入射角多大，均不會(huì)發(fā)生全反射；色散現(xiàn)象的理解：同一介質(zhì)對(duì)不同色光的折射率不同，導(dǎo)致折射角不同，因此白光通過(guò)棱鏡后會(huì)分解為七色光。6.2解題方法總結(jié)畫(huà)光路圖：明確法線、入射光線、折射光線的位置關(guān)系，標(biāo)注入射角與折射角；應(yīng)用折射定律：根據(jù)(\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=\frac{n_2}{n_1})列方程，注意區(qū)分光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)；判斷全反射可能性：若滿足全反射條件，直接計(jì)算臨界角并與入射角比較；否則按折射規(guī)律求解。七、專題練習(xí)與拓展思考計(jì)算題：某水池深2m，水底有一點(diǎn)光源，求光從水中射向空氣時(shí)，在水面形成的光斑半徑（水的折射率為4/3）。實(shí)驗(yàn)題：如何利用全反射測(cè)量液體的折射率？（提示：通過(guò)測(cè)量臨界角(C)，利用(n=\frac{1}{\sinC})計(jì)