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

第1 页/ 共33 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33 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 答与解析： 、开始看不到硬币是因为硬币反射的光线被碗挡住了，可以用光的直线传播来解释，故 错误； BD、向碗中倒入水，硬币反射的光线从水中射出时发生了折射后进入人的眼睛，人眼 看到的是硬币的虚像，故D 正确，B 错误； 故选：D。 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 答与解析： 、公路沙石受太阳炙烤，表面的气温迅速升高，下热上冷，上层空气密度高，下层空气 密度低。当太阳光从密度高的空气层进入密度低的空气层时，光的速度发生了改变，经 “ ” 过光的折射，感觉公路上有水塘，故正确。 B、镜面反射和漫反射的光线进入我们的眼睛，我们就能看到它，故B 错误； 、电影屏幕是粗糙的表面，所以发生的是漫反射，故错误； 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，发生的是漫反射，镜面 反射和漫反射都遵守光的反射定律，故D 错误。 故选：。 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 答与解析： 、影子是光沿直线传播形成的，故不符合题意； B、海市蜃楼是光在不均匀的大气中发生光的折射形成的，故B 符合题意； 第1 页/ 共33 页 、镜中生花是指花在镜子中成像，属于平面镜成像，是光的反射形成的，故不符合题 意； D “ ” 、水中捞月是指月在镜子中成像，属于平面镜成像，是光的反射形成的，故D 不符 合题意。 故选：B。 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 答与解析：、看鱼缸中的鱼是光的折射形成的；故错误； B、小孔成像是光的直线传播现象；故B 正确； 、树底下的圆形亮斑是光的小孔成像原理；故错误； D、水中看到的倒影是反射现象，故D 错误。 故选：B。 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 答与解析：、汽车观后镜是凸面镜，利用光的反射原理形成的像，起到扩大视野的作 用，故不符合题意； B、日光下看到自己在路面上形成的影子，是因为光是沿直线传播的，物体挡住了太阳 光，故B 不符合题意。 、在游泳池边看到的池底比实际浅，是因为由池底反射的光从水中斜射入空气中时发生 折射，故符合题意； D “ ” 、阳光透过密密的树叶在地面上形成一个个圆形的光斑，这就是小孔成像，是太阳 所成的像，是因为光在同种均匀物质中沿直线传播，故D 不符合题意。 故选：。 6 ．如图所示的光现象中，由于光的折射形成的是（ ） 第1 页/ 共33 页 ． “ ” 赵州桥在水中形成倒影 B． “ ” 手在墙上形成手影 ． 筷子好像在水面处向上弯折 D． 景物在后视镜中成像 答与解析： “ ” 、赵州桥在水中形成倒影，是水面成像，属于光的反射现象； B “ ” 、手在墙上形成手影，是光的直线传播形成的； 、筷子好像在水面处向上弯折，属于光的折射现象； D、景物在凸面镜中成像扩大视野，是凸面镜成像，属于光的反射现象。 故选：。 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 答与解析：太阳是一个圆面，这样圆面的边缘点和中心点射来的光线在地球上切点位置 不同，与理论上的平行光线所形成的晨昏线相比，昼半球要大于夜半球。 大气对阳光有折射作用，能使光线传播方向改变而使昼半球范围变大，因此①②说法 都正确。 故选：。 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 第1 页/ 共33 页 层的变化）（ ） ．变大 B．变小 ．不变 D．条件不足，无法确定 答与解析：地球表面存在大气层，太阳光通过大气层时会发生折射，因此照亮的面积比 没有大气层时要大。如果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就变小。 故选：B。 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 答与解析： 从半球形玻璃砖B 正上方沿图中虚线（中心线）方向往下看中心线对准的文字，字反射 的光进入玻璃时都经过球心，沿法线传播，光的传播方向不变，光线的反向延长线的交 点仍在字处，位置不变；但正方体玻璃砖下的字反射的光除垂线那条外，都是斜射入玻 璃砖中，在界面处会折射，折射光线反向延长线的交点就是字的像，比字的位置高。 即：中看到的比实际的高，B 中看到的与实际的一样高。 故选：。 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 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 第1 页/ 共33 页 ．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 答与解析：、如果隔着窗玻璃看，玻璃上不同部位对光的折射程度不同，而不是玻璃上 不同部位对视线的阻挡情况不同，故本选项错误； B、玻璃各部分的厚度不均匀，所以玻璃各部分的透光度是均匀的，故本选项错误； 、因玻璃上不同部位因厚度不同对光的折射情况不同，所以如果隔着窗玻璃看，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，当轻微摆动头部让视线 移动时，电线上的不规则弯曲情景也在移动。故本选项正确； D、因如果隔着窗玻璃看，玻璃上不同部位对光的折射情况不同，而不是反射情况不 同。 故选：。 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 答与解析：选取细线光源b 下端b 点发出的靠近b 的一条光线，因为绿光的折射率比红 光的折射率大，在水面处折射后，绿光的偏折程度比红光大，做出绿光和红光两条折射 光线的反向延长线分别交于b 上的两点，即为绿光和红光所成的像点，两像点均在b 点 的上方，且绿光所成的像点b″在上。则L2＞L1＞L0，如下图所示： 第1 页/ 共33 页 故选：。 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 答与解析：、光在同种、均匀、透明介质中沿直线传播，当介质不均匀时，光的传播路 线会发生弯曲，因为地球周围的大气层密度不均匀，所以太阳光斜射入地球大气层后， 其传播路径会发生弯曲，故本选项正确； B、光从水斜射入空气时，折射角大于入射角，故本选项错误； 、光垂直射到平面镜上时，反射光线、入射光线、法线重合在一起，所以反射角为0°， 故本选项错误； D、尽管平面镜成的是虚像，但是照样用照相机拍摄，只要眼睛看得见，相机就能拍得 到，故本选项错误。 故选：。 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 答与解析：、光的直线传播； B、光的折射； 、光的反射； D、光的直线传播。 故选：B。 14 ．如图所示的四种现象中，由于光的折射的是（ ） 第1 页/ 共33 页 ． 插入水中的铅笔好像弯折了 B． 中山的倒影 ． 屏幕上的手影 D． 瓶子在平面镜中的像 答与解析：、插入水中的铅笔好像弯折了，是光从一种介质斜射入另一种介质时，光的 传播方向会发生偏折，属于光的折射现象。故本选项符合题意。 B、倒影是水面为平面镜成的像，是光的反射。故本选项不符合题意。 、手影是光沿直线传播形成的。故本选项不符合题意。 D、瓶子在平面镜中的像，是平面镜成像，是光的反射。故本选项不符合题意。 故选：。 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（ ） 第1 页/ 共33 页 ． B． ． D． 答与解析：图为筷子竖直插入盛水玻璃杯内的俯视图，处为筷子，BP′表示由筷子反射 穿过玻璃杯壁B 射向观察者P 处的一条光线。为过B 点沿半径方向的直线，即在B 处和 空气的分界面的法线，上述光线则相当于在B 处由水中射入空气中，图中的角和角r 分 别为此光线的入射角和折射角，根据光的折射规律可知，应有γ＞r 所以观察者在P 处 ′ 看到的筷子的像的位置不是在的实际位置，而是由其实际位置偏离杯中心的方向向杯壁 靠拢一些，据此可知。以筷子竖直插入玻璃杯中时，其侧视图应该是图中的B 或图才与 实际情况相符。 同时，玻璃杯此时相当于一个凸透镜，对筷子起到了放大的作用，因此，观察到的筷子 比实际粗些。 故选：。 故答为：。 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 第1 页/ 共33 页 D．在某些地区将提前，另一些地区将延后 答与解析：如果地球表面不存在大气层，太阳光将在真空中沿直线传播，由于地球是圆 形的，所以只有太阳升到某一位置时才能观察到； 而正因为地球表面上有大气层，阳光射入大气层时会发生折射现象，能够提前观察到； 所以如果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 比将延后。 故选：B。 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 答与解析：、日偏食是光沿直线传播形成的现象，不符合题意； B、湖边景物在水面成像，是平面镜成像现象，是光的反射形成的，不符合题意； 、根据光的折射，当光从空气斜射入水中或者其他介质中时，折射光线向法线方向偏 折，出现了筷子好像在水面处折断了的现象，符合题意； D、汽车的观后镜是一个凸面镜，起扩大视野的作用，是光的反射现象，不符合题意。 故选：。 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 答与解析：如图所示，人在头部某点反射出的光线由空气进入水中时， 在水面处发生折射，折射光线靠近法线，这些光线射入鱼的眼里， ′ ′ 鱼看到这些光线是从它的反向延长线的交点发出的，就是的虚像。 同理，人其他部分的情形也都一样，显然这个像比人高。 故选：D。 第1 页/ 共33 页 （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 答与解析：从正上方竖直向下观察中心处报纸上的文字，由于人观察的方向与立方体上 面是垂直的，所以折射光线不会发生偏折，看到、B 中的字一样高。 对于立方体而言，是B 斜向于，故会发生折射。则通过立方体观察像比物高，即看到中 的字比B 中的字高，通过球体观察物像重合，即看到B 中的字和没有放玻璃半球时一样 高。 故选：D。 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 ，折射 第1 页/ 共33 页 角 大于 “ ” “ ” “ ” 入射角（填大于、小于或等于），人逆着折射光线看到水中鱼变 浅 “ ” “ ” （填深或浅）的虚像。 答与解析：水中鱼反射出的光，在水面处发生了折射，折射光线向远离法线的方向偏 折，折射角大于入射角，我们逆着折射光线看去，看到的是变浅的鱼的虚像，因此用鱼 叉捕鱼时，不是将鱼叉对准他看到的鱼，而是瞄准所看到的鱼的下方位置叉去。 故答为：折射；大于；浅。 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 t α 。 （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 03d 。（s15°＝026） 答与解析：（1）先作左边界面的斜面的法线，再作右边斜面的法线， 当光线从左边以α 角入射时，此时的入射角＝90°﹣α， 让光线从右边可逆方向以α 角入射求出此时的折射角，发现两入射角相等，这说明了中 间光线和两侧的斜边夹角相等，说明和底边平行，即D B ∥，则当光线从左边以α 角入射 时，此时的折射角为r＝90°﹣ ＝α．则该三棱镜的折射率为 ＝ ＝ ＝tα。 （2）由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 ，可得， 第1 页/ 共33 页 ＝ ＝ ，解得sr＝ ，则r＝30°。 sr＝ ＝ ，则B＝ d， BD ∠ ∠ ＝ ED r ﹣∠＝45° 30° ﹣ ＝15°， 则s15°＝ ＝ ＝026，解得BD≈03d，x＝BD＝03d。 故答为：tα；03d。 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 虚 “ ” “ ” （选填实或虚）像；是由于光的 折射 “ ” “ ” （选填反射或折射）形成的。 答与解析：（1）玻璃杯中装水形成一个水凸透镜，字在水凸透镜的一倍焦距以内，水 凸透镜相当于一个放大镜，成正立、放大的虚像。（2）字反射出的光线经凸透镜折射 后进入人的眼睛，属于折射现象。 故答为：虚；折射。 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 光的折射 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 白色能反射所有颜色的光 、 白布表面粗糙（不光滑）能发生漫反射 。 第1 页/ 共33 页 答与解析：（1）早晨看太阳从地平线刚刚升起时，实际上它还处在地平线的下方，但 通过光在不均匀的大气层中发生折射，可以射入我们的眼睛，我们就可以看见太阳； （2）电影银幕用白布制作有以下两个原因： ①白色能反射所有颜色的光，使所看到的像更加逼真，而黑色吸收所有的光，银幕不反 射的话我们就什么也看不见； ②白布表面粗糙（不光滑）能发生漫反射，使光线向各个方向传播，以便使坐在不同位 置上的人都能看到。 故答为：（1）光的折射；（2）白色能反射所有颜色的光；白布表面粗糙（不光滑）能 发生漫反射。 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