第14讲：光与电磁.doc

高中物理《精品冲刺课程》专题讲解 主讲教师：刘新斌第 1 页 共 19 页《精品冲刺课程》第 14 讲：光与电磁主讲教师：刘新斌光学：知识网络：第一单元 光的传播 几何光学一、光的直线传播 1、几个概念①光源：能够发光的物体②点光源：忽略发光体的大小和形状，保留它的发光性 （力学中的质点，理想化）③光能：光是一种能量，光能可以和其他形式的能量相互转化（使被照物体温度升高，使底片感光、热水器电灯、蜡烛、太阳万物生长靠太阳、光电池）④光线：用来表示光束的有向直线叫做光线，直线的方向表示光束的传播方向，光线实际上不存在，它是细光束的抽象说法 （类比：磁感线 电场线）⑤实像和虚像点光源发出的同心光束被反射镜反射或被透射镜折射后，若能会聚在一点，则该会聚点称为实像点；若被反射镜反射或被透射镜折射后光束仍是发散的，但这光束的反向延长线交于一点，则该点称为虚像点．实像点构成的集合称为实像，实像可以用光屏接收，也可以用肉眼直接观察；虚像不能用光屏接收，只能用肉眼观察．2．光在同一种均匀介质中是沿直线传播的注意前提条件：在同一种介质中，而且是均匀介质否则，可能发生偏折。

如光从空气斜射入水中（不是同一种介质） ；“海市蜃楼”现象（介质不均匀） 点评：光的直线传播是一个近似的规律当障碍物或孔的尺寸和波长可以比拟或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向例 1】如图所示，在 A 点有一个小球，紧靠小球的左方有一个点光源 S 现将小球从 A 点正对着竖直墙平抛出去，打到竖直墙之前，小球在点光源照射下的影子在墙上的运动是A.匀速直线运动 B.自由落体运动C.变加速直线运动 D.匀减速直线运动应　　用光的传播光在同种均匀介质中 光在两种介质的界面上光的直线传播 光的反射 光的折射小孔成像本影半影日食月食镜面反射漫反射全反射 棱镜 透镜放大镜　照相机 　幻灯机lSAh xvt高中物理《精品冲刺课程》专题讲解 主讲教师：刘新斌第 2 页 共 19 页解：小球抛出后做平抛运动，时间 t 后水平位移是 vt，竖直位移是 h= gt2，根据相1似形知识可以由比例求得 ，因此影子在墙上的运动是匀速运动vglx2【例 2】某人身高 1.8 m，沿一直线以 2 m/s 的速度前进，其正前方离地面 5 m 高处有一盏路灯，试求人的影子在水平地面上的移动速度。

解析：如图所示，设人在时间 t 内由开始位置运动到 G 位置，人头部的影子由 D 点运动到 C 点三角形 ABC∽ FGC，有 FABC因为三角形 ACD∽ AFE，所以有EFDA由以上各式可以得到 G即 = 解得 S 影 =3.125t tS2影 8.15可见影的速度为 3.125m/s 二、反射 平面镜成像1、反射定律光射到两种介质的界面上后返回原介质时，其传播规律遵循反射定律．反射定律的基本内容包含如下三个要点：① 反射光线、法线、入射光线共面；② 反射光线与入射光线分居法线两侧；③ 反射角等于入射角，即　 212．平面镜成像的特点——平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面对称3．光路图作法——根据成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补画光路图4．充分利用光路可逆——在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆 （眼睛在某点 A 通过平面镜所能看到的范围和在 A 点放一个点光源，该点光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的 ）5．利用边缘光线作图确定范围【例 3】 如图所示，画出人眼在 S 处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围解：先根据对称性作出人眼的像点 S /，再根据光路可逆，设想 S 处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。

图中画出了两条边缘光线例 4】如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到 AB 完整像的范围解：先根据对称性作出 AB 的像 A/B/，分别作出 A 点、B 点发出的光经平面镜反射后能射到的范围，再找到它们的公共区域（交集） 就是能看到完整像的范围三、折射与全反射1．折射定律 (荷兰 斯涅尔)光射到两种介质的界面上后从第一种介质进入第二种介质时，其传播规律遵循折射定律．折射定律的基本内容包含如下三个要点：① 折射光线、法线、入射光线共面；② 折射光线与入射光线分居法线两侧；SS /M NP QGFEDC BAir高中物理《精品冲刺课程》专题讲解 主讲教师：刘新斌第 3 页 共 19 页③ 入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数，即 n21si折射定律的各种表达形式： (θ 1为入、折射角中的较大者，Cvcnsi21C 为全反射时的临界角)④折射光路是可逆的⑤n＞1⑥介质确定，n 确定 （空气 1.00028 水 n＝1.33 酒精 n＝1.6） （不以密度为标准）⑦光密介质和光疏介质——（1）与密度不同(2)相对性 （3 ）n 大角小，n 小角大2．全反射现象（1）现象：光从光密介质进入到光速介质中时，随着入射角的增加，折射光线远离法线，强度越来越弱，但是反射光线在远离法线的同时强度越来越强，当折射角达到 90 度时，折射光线认为全部消失，只剩下反射光线——全反射。

2）条件：①光从光密介质射向光疏介质；② 入射角达到临界角，即 C1（3）临界角: 折射角为 900（发生全发射）时对应的入射角 , nsi【例 5】 直角三棱镜的顶角 α =15°， 棱镜材料的折射率 n=1.5，一细束单色光如图所示垂直于左侧面射入，试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线解：由 n=1.5 知临界角大于 30°小于 45°，边画边算可知该光线在射到 A、 B、 C、 D 各点时的入射角依次是 75°、 60°、 45°、 30°， 因此在 A、 B、 C 均发生全反射，到 D 点入射角才第一次小于临界角，所以才第一次有光线从棱镜射出3．光导纤维，海市蜃楼和内窥镜全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤） 光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出例 6】如图所示，一条长度为 L=5.0m 的光导纤维用折射率为 n= 的材料制成一2细束激光由其左端的中心点以 α = 45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。

求：⑴该激光在光导纤维中的速度 v 是多大？⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解：⑴由 n=c/v 可得 v =2.1×108m/s⑵由 n=sinα /sinr 可得光线从左端面射入后的折射角为 30°，射到侧面时的入射角为 60°，大于临界角45°，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线达到右端面由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为 s=2L/ ，因此该激光在光导纤维中传输3所经历的时间是 t=s/v=2.7×10-8s四、棱镜和玻璃砖对光路的作用1．棱镜对光的偏折作用一般所说的棱镜都是用光密介质制作的入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折，虚像向顶角偏移例 7】 如图所示，一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一个点 M，若用 n1和 n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是A.n1n2， a 红光， b 蓝光 D. n1>n2， a 蓝光， b 红光 解：由图可知， b 光线经过三棱镜后的偏折角较小，因此折射αABCDαabM高中物理《精品冲刺课程》专题讲解 主讲教师：刘新斌第 4 页 共 19 页率较小，是红光。

2．全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转 90o（右图 1）或 180o（右图 2） 要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射例 8】 如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车尾灯的原理如图所示，下面说法中正确的是 （ C ）A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾 灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾 灯的右表面发生全反射 3．光的折射和色散一束白光经过三棱镜折射后形式色散，构成红橙黄绿蓝靛紫的七条彩色光带，形成光谱光谱的产生表明白光是由各种单色光组成的复色光，各种单色光的偏转角度不同红 紫偏转角 小 大折射率 n 小 大同介质速率 v 大 小频率 γ 小 大波长 λ 大 小4．玻璃砖——所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。

当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：⑴射出光线和入射光线平行；⑵各种色光在第一次入射后就发生色散；⑶射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率例 9】 透明材料做成一长方体形的光学器材，要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出，那么所选的材料的折射率应满足 BA.折射率必须大于 B.折射率必须小于22C.折射率可取大于 1 的任意值 D.无论折射率是多大都不可能 解：从图中可以看出，为使上表面射入的光线经两次折射后从右侧面射出， θ 1和 θ 2都必须小于临界角 C，即 θ 145°， n=1/sinC0） 根据麦克斯韦电磁场理论，均匀变化的磁场将产生稳定的电场，该感应电场对电子将有沿圆环切线方向的作用力，使其得到加速设 t=0 时刻电 v0高中物理《精品冲刺课程》专题讲解 主讲教师：刘新斌第 13 页 共 19 页子的初速度大小为 v0，方向顺时针，从此开始后运动一周后的磁感应强度为 B1，则此时电子的速度大小为 A. B. C. D.mreB1mker220reB0mkerv220解：感应电动势为 E=kπ r2，电场方向逆时针，电场力对电子做正功。

在转动一圈过程中对电子用动能定理：k π r2e= mv2- mv02，得答案 B1【例 4】 如图所示，平行板电容器和电池组相连用绝缘工具将电容器两板间的距离逐渐增大的过程中，关于电容器两极板间的电场和磁场，下列说法中正确的是 BDA.两 极 板 间 的 电 压 和 场 强 都 将 逐 渐 减 小B.两 极 板 间 的 电 压 不 变 ， 场 强 逐 渐 减 小C.两 极 板 间 将 产 生 顺 时 针 方 向 的 磁 场D.两 极 板 间 将 产 生 逆 时 针 方 向 的 磁 场【例 5】如图所示，氢原子中的电子绕核逆时什快速旋转，匀强磁场垂直于轨道平面向外，电子的运动轨道半径 r 不变，若使磁场均匀增加，则电子的动能（ B ）A．不变 B．增大 C．减小 D．无法判断解析：电子在库仑力 F 和洛伦兹力 f 作用下做匀速圆周运动，用左手定则判断 f 和 F 方向始终相同，两者之和为向心力当磁场均匀增加时，根据麦克斯韦理论，将激起一稳定电场，由楞次定。