15讲 光的折射及光学实验设计与探究（学生版） 2023年初中物理自主招生讲义68讲

第1 页/ 共18 页 初中物理自主招生讲义 15 光的折射及光学实验设计与探究 1．光的折射现象及其应用 【知识点的认识】 折射现象是指当光由一种介质（比如水）斜射入第二介质（比如空气）时，在界面上部份 光发生偏离原来路线而与原来路线产生夹角的现象。人们利用折射原理发明了透镜透镜有 凸透镜和凹透镜， 中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜，中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜，凸透镜具有会聚 “ ” “ ” 光线的作用，所以也叫会聚透镜、正透镜（可用于远视与老花镜），凹透镜具有发散 “ ” “ ” 光线的作用，所以也叫发散透镜、负透镜（可用于近视眼镜）。 【命题方向】 用光的折射现象解释生活中的现象，光的折射现象例子：海市蜃楼、筷子向上折断了、池 “ ” 水变浅了、放大镜、望远镜、显微镜、照相机、投影仪、近视眼镜、老花镜、斜插在水 中的筷子在水中部分看起来向上弯；看见落到地平线下的太阳；叉鱼的时候瞄准鱼的下 方。 例如：鱼在清澈的水里面游动，可以看得很清楚。然而，沿着你看见鱼的方向去叉它，却 叉不到。有经验的渔民都知道，只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到。 从上面看水，玻璃等透明介质中的物体，会感到物体的位置比实际位置高一些。这是光的 折射现象引起的。 【解题方法点拨】 解题时要注意折射规律的内容，属于识记、理解内容。 一．光的折射现象及其应用（共24 小题） 1．小红在家做了这样一个实验：如图所示把一枚硬币放在一个没有盛水的碗底，把碗放在 桌子上并慢慢向远处推移，直到眼睛刚好看不到为止，保持头部不动，缓缓地向碗中倒 水，倒着、倒着，怪事出现了，小红又重新看到碗底的硬币。下列关于该现象的说法正 确的是（ ） 第1 页/ 共18 页 ．开始看不到硬币可以用光的反射来解释 B．重新看到的硬币其实是硬币的实像 ．重新看到硬币是因为光从空气中射到水中 D．重新看到硬币是因为光从水中射到空气中 2 ．生活中处处都有光学知识，下列说法正确的是（ ） “ ” ．炎炎夏日，沿一条黑色柏油马路向前方望去，感觉公路上有水塘是光的折射 B．只有光照射到物体上发生镜面反射时，我们才能看清被照射的物体 ．电影屏幕对光的反射是镜面反射 D．当入射光线彼此平行时，经漫反射后的光线将彼此不平行，所以漫反射不遵从光的 反射定律 3 ．以下描述中与光的折射现象有关的是（ ） ．形影相随，亲密无间 B．海市蜃楼，虚无缥缈 ．镜中生花，脱离实际 D．水中捞月，一无所得 4 ．以下关于光现象的对应关系正确的是（ ） ．看鱼缸中的鱼是光的直线传播现象 B．小孔成像是光的直线传播现象 ．树底下的圆形亮斑是光的透镜成实像原理 D．水中看到的倒影是折射现象 5 ．下列现象可以用光的折射解释的是（ ） ．利用凸面镜作汽车后视镜是为了看到车后更广阔的范围 B．日光下看到自己在路面上形成的影子 ．在游泳池边看到的池底比实际浅 D．晴朗夏日的中午，在树荫下看见圆形的光斑 6 ．如图所示的光现象中，由于光的折射形成的是（ ） ． “ ” 赵州桥在水中形成倒影 B． “ ” 手在墙上形成手影 第1 页/ 共18 页 ． 筷子好像在水面处向上弯折 D． 景物在后视镜中成像 7．地球是个巨大的不透明球体，在受到太阳光的照射时，被照亮部分称为昼半球，而未被 照亮部分称为夜半球。现有二种说法： ①在不考虑大气层影响下，由于太阳半径比地球半径大，会使昼半球稍大于夜半球； ②由于阳光通过大气层时发生折射，会使昼半球稍大于夜半球， 则以上二种说法（ ） ．①②都正确 B．只有①正确 ．只有②正确 D．①②都错误 8．地球和太阳之间的距离比地球的半径大得多，太阳光射到地球，假设地球表面没有大气 层，那么，太阳光照亮地球的范围与有大气层时照亮地球的范围相比（不考虑地球大气 层的变化）（ ） ．变大 B．变小 ．不变 D．条件不足，无法确定 9．如图所示，把由同种玻璃制成的正方体玻璃砖和半球形玻璃砖B 放在报纸上，若正方 体的棱长和半球的半径相同，则从正上方沿图中虚线（中心线）方向往下看中心线对准 的文字（ ） ．和B 中看到的都比实际的高 B．中看到的比实际的高，B 中看到的比实际的低 ．中看到的比实际的高，B 中看到的与实际的一样高 D．和B 中看到的都与实际一样高 10．细心的小明同学注意到这样一个问题：如果打开窗户，直接看远处的高架电线，电线 呈规则的下弯弧形；而如果隔着窗玻璃看，电线虽然整体上也呈弧形，但电线上的不同 部位有明显的不规则弯曲，而且，轻微摆动头部让视线移动时，电线上的不规则弯曲情 第1 页/ 共18 页 景也在移动。产生这种现象的原因是（ ） ．玻璃上不同部位对视线的阻挡情况不同 B．玻璃各部分的透光度不均匀 ．玻璃各部分的厚度不均匀 D．玻璃上不同部位对光的反射不一样 11．可以发出各种颜色光的细线光源b，长度为L0，竖直放置，下端恰好在水面处，如图 所示。一个潜水运动员在水下法线（图中的虚线）附近的点观察光源b 发出的靠近水面 法线的细光束经水面折射后所成的像，若以L1表示当光源b 发红光时，潜水运动员观察 到的红光所成的像的长度；若以L2表示当光源b 发绿光时，潜水运动员观察到的绿光所 成的像的长度。则下列关系正确的是（ ） ．L1＞L2＞L0 B．L1＜L2＜L0 ．L2＞L1＞L0 D．L2＜L1＜L0 12 ．下列关于光现象的说法中正确的是（ ） ．太阳光斜射入地球大气层后，其传播路径会发生弯曲 B．光从水斜射入空气时，折射角小于入射角 ．光垂直射到平面镜上时，其反射角为90 度 D．平面镜所成的像不能用照相机拍摄，因为这个像是虚像 13 “ ” ．下列叙述中的影由于光的折射形成的是（ ） “ ” ．立竿见影 B “ ” ．毕业合影 “ ” ．湖光倒影 D “ ” ．形影不离 14 ．如图所示的四种现象中，由于光的折射的是（ ） ． 插入水中的铅笔好像弯折了 第1 页/ 共18 页 B． 中山的倒影 ． 屏幕上的手影 D． 瓶子在平面镜中的像 15．将筷子竖直插入装水的玻璃杯内，从俯视图中的P 点沿水平方向看到的应该是如图所 示哪个图中的情形（ ） ． B． ． D． 16．假设地球表面不存在大气层，那么观察到的日出时刻与实际存在大气层时的情况相比 （ ） ．将提前 B．将延后 ．不变 D．在某些地区将提前，另一些地区将延后 第1 页/ 共18 页 17 ．图中描述的现象属于光的折射的是（ ） ． 日偏食 B． 湖边夜景 ． 筷子变弯折 D． 汽车观后镜 18 ．若水中的鱼能看到岸边的人，它看到的人其实是（ ） ．变矮了的人的实像 B．变高了的人的实像 ．变矮了的人的虚像 D．变高了的人的虚像 （多选）19．如右图所示，把由同种玻璃制成的厚度为d 的立方体和半径为d 的半球体B 分别放在报纸上，且让半球的凸面向上。某同学从正上方（对B 来说是最高点）竖直向 下分别观察、B 中心处报纸上的文字，下面的观察记录正确的是（ ） ．看到中的字比B 中的字高 B．看到B 中的字比中的字高 ．看到、B 中的字一样高 D．看到B 中的字和没有放玻璃半球时一样高 20 ．渔民叉鱼时要瞄准鱼的下方，这是因为水中的鱼反射的光在水面发生 ，折射角 “ ” “ ” “ ” 入射角（填 大于 、 小于 或 等于 ），人逆着折射光线看到水中鱼变 “ ” “ ” （填深或浅）的虚像。 21．（1）在光学中，折射率是这样定义的，让光线从真空（或空气）射入某介质发生折 射，如果入射角是，折射角是r，则该介质的折射率为＝ ，如图1 为某光线通过等 腰三角形三棱镜（顶角为2α ）的光路图，则该三棱镜的折射率为 。 第1 页/ 共18 页 （2）将三棱镜换成如图2 所示平行玻璃砖，平行玻璃砖的厚度为d。某光线斜射到玻璃 砖的上表面，α＝45°，光线从玻璃砖的下表面射出，玻璃对这种光的折射率为 ，则 出射光线与入射光线的间距x 为 。（s15°＝026） 22．取一个装满水的圆筒形透明玻璃杯，盖上杯盖后横放在书上，透过玻璃杯可以看到放 “ ” “ ” 大了的字，看到的字实质上是 “ ” “ ” （选填实或虚）像；是由于光的 “ ” “ ” （选填反射或折射）形成的。 23．（1）早晨看到太阳从地平线上刚刚升起时，实际上它还在地平线的下方。这种现象是 由 造成的。 （2）一般电影的屏幕是用粗糙的白布制成的，其原因是 、 。 24．图中甲、乙是两只透明的玻璃杯，甲杯装水至刻度线处，乙杯装满水，根据生活经验 或观察过的现象，分别画出两杯中液面的形状。 2．光的折射规律的应用 【知识点的认识】 折射定律是几何光学的基本定律之一。是在光的折射过程中，确定折射光线与入射光线之 间关系的定律。光从一种介质斜射入另一种介质中时，传播方向一般发生变化，这种现象 叫做光的折射。 光的折射规律：（1）光从空气斜射入水或其它透明介质中时： ① 折射光线与入射光线、法线在同一个平面上； ②折射光线和入射光线分居法线两侧； 第1 页/ 共18 页 ③折射角小于入射角； ④入射角增大时，折射角也随着增大； ⑤当光线垂直射向介质表面时，传播方向不改变。2）光从水或其它透明介质斜射入空气 中，折射角大于入射角。 【命题方向】 利用光的折射规律解题，包括实验探究，以及用光的折射解释生活中的一些简单现象。 【解题方法点拨】注意理解熟记实验高度光的折射规律。 二．光的折射规律的应用（共10 小题） 25 ∠ ．一束激光在某透明界面发生反射和折射现象，如图所示。其中 B ∠ ＝ ，则、B、三束 光中能量（ ） ．最大 B．B 最大 ．最大 D．一样大 26．把一个凸透镜固定于薄壁玻璃筒中间，在凸透镜的焦点F 处放一个点光源S，然后注 入水，使水面处于光源S 和凸透镜之间，如图所示，为使凸透镜折射后的光线是一束平 行光，则光源的位置（ ） ．应适当升高 B．应适当降低 ．应不动 D．无论怎样变动，均无法实现 27．两块完全相同的平行玻璃砖相互垂直放置。如图一束单色光从左侧水平射入左侧玻璃 砖，从右侧射出，则出射光线与入射光线（ ） ．平行 B．不平行向上偏折 ．不平行向下偏折 D．都有可能 第1 页/ 共18 页 28．如图所示，两块同样的玻璃直角三棱镜B，两者的面是平行放置的，在它们之间是某 种均匀的透明介质。一单色细光束垂直于B 面入射，在图示的出射光线中（） ．1、2、3（彼此平行）中的任一条都有可能 B．7、8、9（彼此平行）中的任一条都有可能 ．只能是4、6（彼此平行）中的某一条 D．4、5、6（彼此平行）中的任一条都有可能 29．有一盛水的圆柱形敞口容器，水面的升降可由进水管和出水管调节。在其右侧某一高 度朝确定方向射出一激光束，在容器底部中央产生一个光斑，如图所示，该光斑 （ ） ．是激光束经水面反射后形成的；若向右移动，表明水面上升 B．是激光束经水面反射后形成的；若向左移动，表明水面上升 ．是激光束经水面折射后形成的；若向左移动，表明水面下降 D．是激光束经水面折射后形成的；若向右移动，表明水面下降 30．如图所示，一盛水容器的底部放有一块平面镜。它与容器底部的夹角为15°．一条光 线以45°入射角从空气射向水面，折射角为30°，进入水中的折射光线能够射到平面镜的 表面，那么，这条光线经过平面镜反射后再从水入空气的折射角是（ ） ．90° B．75° ．30° D．0° 第1 页/ 共18 页 31．物理学中，把光线从真空（或空气）射入某介质发生折射时，入射角与折射角r 的正 弦之比叫做介质的折射率，即＝ ，光线以入射角θ 从空气射向折射率＝ 的玻 璃表面。当入射角θ＝45°时，反射光线与折射光线间的夹角为 。 32．在光学中，折射率是这样定义的：让光线从真空（空气）射入某介质发生折射。如果 入射角为，折射角为r，则该介质的折射率为＝ ，图为某光线通过三棱镜（等腰三 角形的顶角为2α）的光路图，则该三棱镜的折射率为 。（数学关系：s（θ）＝ y，s（θ）＝x，t（θ）＝y/x） 33．让一束光从某介质以不同角度射入空气中，观察光束在介质和空气中的径迹变化，得 到光速在介质中的入射角及其正弦值s、折射角r 及其正弦值sr 的值如下表所示。从探 究中我们可以得出：折射角总是 “ ” “ ” “ ” 入射角（选填小于、等于或大于）；采用 多次测量求平均值的方法我们可以得到折射角的正弦与入射角的正弦之比等于 （保留两位小数）。 次数 数据 物理量 1 2 3 4 5 6 10° 20° 30° 40° 50° 60° s 0174 0342 05 0643 0766 0866 r 151° 309° 487° 765° ﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣ 第1 页/ 共18 页 ﹣﹣ ﹣ sr 026 0513 0751 0972 ﹣﹣﹣﹣ ﹣﹣ ﹣﹣﹣﹣ ﹣ 34 “ ” ．某小组同学在研究光的折射规律的实验中，选用不同颜色的光（红光、黄光和紫 光），分别以不同的入射角从空气射入玻璃砖中，如图所示，每次的入射点均为点，然 后测出折射光线对应的折射角r 并记录在下表中。实验过程中，他们通过上查阅相关物 理资料发现不同颜色的光在同种介质中的传播速度是不同的，对于红、黄、紫三种颜色 的光，红光在玻璃中的传播速度最快，黄光次之，而紫光在玻璃中传播速度最慢。 表一（红光光源实验） 实验 序号 入射角 （度） 折射角r （度） 1 0 0 2 25 164 3 50 307 4 75 401 表二（黄光光源实验） 实验 序号 入射角 （度） 折射角r （度） 5 0 0 6 25 157 7 50 294 8 75 383 表三（紫光光源实验） 实验 序号 入射角 （度） 折射角r （度） 9 0 0 10 25 151 11 50 282 12 75 366 （1）初步分析三个表中的数据，可以看出，当光从一种介质进入另一种介质中时，光 的传播方向 “ ” “ ” （选填一定或不一定）发生改变。 （2）分析比较实验序号 的数据及相关条件，可以得到初步结论：不同颜色的光 从空气中以相同的入射角斜射入另一种介质时，光在这种介质中传播速度越慢，折射角 越小。 （3）请进一步综合分析比较表一、表二、表三中的数据及相关条件，并归纳得出结 论。 ①综合分析比较表一（或表二或表三）中的数据及相关条件，可以得出结论：同种颜色 的光从空气斜射入同种介质中时， ； ②综合分析比较表一、表二和表三中的数据及相关条件，可以得出结论：不种颜色的光 从空气斜射入同种介质中时， 。 第1 页/ 共18 页 3．探究光折射的特点 探究光折射的特点 三．探究光折射的特点（共2 小题） 35．某实验小组在探究光的折射规律时，将光从空气分别射入水和玻璃中测得的数据填入 表中： 空气中的入射角 0° 30° 45° 60° 水中的折射角0° 0° 22° 32° 40° 玻璃中的折射角0° 0° 17° 24° 30° 分析表中数据，你肯定能得出一些规律。请写出二条：（1） 。 （2） 。 36．一块玻璃砖有两个相互平行的表面，某同学利用玻璃砖探究光的折射现象。实验时， 先将玻璃砖放到白纸上，沿玻璃砖平行的两表面作两条直线B、D 下方透过玻璃砖观察 P1、P2的像，在适当的位置插上P3，使得P3恰能挡住P1、P2的像，即P3与P1、P2的像 在一条直线上，再插上P4，让它恰能挡住P3和P1、P2的像。P3、P4的位置如图。 （1）P4挡住P3是因为光的传播具有什么特点？ 。 （2）若一束光沿P1P2连线的方向从B 面射入玻璃砖，再从D 面射出，试作出该光线在 B 面发生折射时的入射角（用α 表示）和折射角（用β 表示），由图可知α （选 “ ” “ ” “ ” 填＜、＝或＞）β。 4．作光的折射光路图 【知识点的认识】光的折射作图方法：（1）光的折射（2）光路可逆性 第1 页/ 共18 页 【命题方向】光的折射作图是中考命题的主要知识点，（例如凸透镜、凹透镜光线作图） 【解题方法点拨】 （1）利用光的折射规律： ①光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线偏折，入射角大于折射 角； ②光从水或其他介质斜射入空气中时，折射光线远离法线偏折，折射角大于入射 角； ③光垂直界面射入时，传播方向不改变；此时入射角等于折射角等于0。 ④ “ ” 光的折射现象例子：海市蜃楼、筷子向上折断了、池水变浅了、放大镜、望远 镜、显微镜、照相机、投影仪、近视眼镜、老花镜、斜插在水中的筷子在水中部分看起来 向上弯；看见落到地平线下的太阳；叉鱼的时候瞄准鱼的下方。 （2）根据光路可逆的可逆性。 若光是由较密的介质射入较疏的介质时呢？画出下图 四．作光的折射光路图（共13 小题） 37．如图所示一条光线由空气射到半圆玻璃砖表面的圆心处，玻璃砖的半圆表面上镀有银 反射面，则图中几个光路图中，正确、完整表示光线行进过程的是（ ） ． B． ． D． 38．光线斜射到上下两表面互相平行的厚玻璃板上，在上、下两表面发生折射，如下图所 第1 页/ 共18 页 示，则正确的光路图是（ ） ．甲 B．乙 ．丙 D．丁 39．用厚度不计的玻璃制成一空气三棱镜，放置于水中，如图所示，一束平行底边b 的单 色光线射向侧面，并从b 侧面射出，此时，光线将向（ ） ．向底边偏折 B．向顶角偏折 ．不发生偏折 D．与入射光线平行，但不共线 40．如图，空碗底部有一枚硬币，人眼在处刚好看不到整枚硬币。保持人眼、碗及硬币的 位置不变，现向碗中缓慢加水，当水面到达B 处时，人眼恰好能看到整枚硬币。请在右 图作图，用一条光线示意以上光学现象（并画出水面、法线）。 41．将一平面镜斜放在装有水的水槽中，有一束光线垂直射向水面，如图所示，请画出这 束光线在水中行进最后射出水面的光路图。 42．如图所示，、b 是水中的一个发光点S 发出的两条光线。请画出、b