初中物理竞赛及自主招生专题讲义第四讲光现象初步第一节光的直线传播与反射含解析

第四讲光现象初步

第一节光的直线传播与反射

一、光源与光速

光源：本身能够发光的物体叫做光源,例如太阳、点燃的蜡烛、发光的灯泡等.按照几何形状不同,光源可以分为点、线、面、体光源.它们都是实际光源的抽象和近似.

点光源：凡是本身的大小与被它照到的物体间的距离大小相比可以忽略不计的光源,都可以看做“点光源”.点光源是一种理想化模型.

光线：物理学中用来表示光传播的方向和路径的一条带箭头的射线叫做光线.光线是由一小光束抽象而建立的物理模型.

光束：光束分为会聚、平行、发散光束.点光源发出的是发散光束,太阳发出的是平行光束.

光在不同介质中的传播速度不同.光可以在真空中传播,并且在真空中的传播速度最大,为8

c=⨯.光在空气中的传播速度十分接近光在真空中的传播速度,通常也可以近似认为是

3.010m/s

8

⨯.光速c是速度的上限,任何物体的速度都不可能超过光速c.

3.010m/s

二、光的直线传播

光在同种均匀的介质中沿直线传播.阳光下树木、建筑物的影子,月食、日食以及小孔成像,就是由于光的直线传播形成的.光在不同的或不均匀的介质中,则不一定沿直线传播.

根据光沿直线传播的性质,如果知道一个发光体S射出的两条光线,只要把这两条光线向相反方向延长到它们的交点,就能确定发光体的位置,如图2.1

所示.在人用眼睛观察物体的时候,根据两只眼睛对物体的视线间的夹角可以

判断物体的位置也是这个道理.

（一）影

点光源发出的光照射到不透明的物体上时,物体向光的表面被照亮,在背光面的后方形成一个光照不到的黑暗区域,这就是物体的影.图2.2所示为点光源的影.

影区是发自光源并与被照物体的表面相切的光线围成的.如果用一个发光面比较大的光源来代替点光源,影的情形就会不同.发光面上的每个发光点都可以看做一个点光源,它们都在物体的背后造成影区,这些影共有的完全不会受到光照射的范围叫做本影.本影的周围还有一个能受到光源发出的一部分光照射的区域,叫做半影.图2.3所示为面光源的本影与半影.光源的发光面越大,本影区越小.

（二）日食和月食

发生日食时,太阳、月球和地球位于同一直线上,月球在中间.太阳发出的光线经月球遮挡后,形成如图2.4所示的a,b,c,d四个影区,其中a为本影区,没有光线能够照射到该区域,b为伪本影区,只有太阳边缘发出的光线可以照射到该区域,c和d为半影区.当地球上的观察者位于a区域内时,将观察到日全食,位于b区域时,可以观察到日环食,位于c和d区域时则可以观察到日偏食.

发生月食时,太阳、地球和月球位于同一直线上,地球在中间,如图2.5所示.当月球有一部分进入地球的本影区时,在本影区的部分由于没有光线到达,因此该部分不能被看到,形成月偏食.当月球全部进入地球的本影区a时,由于没有太阳的光线照射到月球表面,月球也不再反光,因此地球上的观察者会看到月全食.在月食现象中,不可能出现月环食.

三、光的反射

光在入射到两种介质的分界面上时,又返回到原来介质中继续传播的现象叫做光的反射.反射分

为镜面反射和漫反射.无论哪种反射,对每一条光线而言,都遵从光的反射定律.

（一）光的反射定律

在反射现象中,反射光线和入射光线、法线在同一平面内,反射光线和

入射光线分别位于法线的两侧,反射角等于入射角（图2.6）.在反射现象

中,光路是可逆的.

（二）平面镜对光线的反射作用平面镜可以使光线发生镜面反射,我们可以

用平面镜来控制和改变光路.

1．当入射光线方向不变时,平面镜旋转θ角,反射光线将转过2θ角

例1（上海第27届大同杯初赛）入射光线与平面镜的夹角为70︒,若入射光线方向不变,使平面镜绕入射点沿入射光线与法线构成的平面顺时针方向旋转40︒后,入射光线与反射光线的夹角为（）.

A．40︒B．80︒C．120︒D．160︒

分析与解本题有两种情况,先分别画出示意图,如图2.7（a）和（b）所示.在图2.7（a）中,平面镜顺时针转过40︒后,反射光线OB转过80︒角至OB'的位置,由几何关系知此时入射光线与反射光线的夹角为120︒；在图2.7（b）中,平面镜顺时针转过40︒后,反射光线OB转过80︒角至OB'的位置,同样根据角度间关系知此时入射光线与反射光线的夹角为40︒.本题正确选项为AC.

2．角镜反射问题

所谓角镜,是指两个平面镜反射面相对,互成一定夹角.当光线入射时,可以在两平面镜间发生两次甚至多次反射.

两块互相垂直的平面镜是同学们所熟知的一种角镜,当有一条光线射入两个互相垂直的平面镜,其反射光线必与入射光线平行.更一般的情况请看下面例题.

例2如图2.8所示,两平面镜1OM ,2OM 之间的夹角为θ,入射光与平面镜2OM 平行,经两个镜面两次反射后,出射光与1OM 平行,那么θ角应为（ ）.

A ．30︒

B ．45︒

C ．60︒

D ．75︒

分析与解 如图2.9所示,入射光线平行于2OM ,则1θ∠=,反射光线平行于1OM ,则4θ∠=.又根据反射定律,反射角等于入射角,则反射光线与镜面的夹角也等于入射光线与镜面的夹角,即12∠=∠,34∠=∠,所以ABC △为等边三角形,60θ=︒.本题正确选项为C.

例3到若使一束光先后经两平面镜反射后,出射光线与入射光线垂直,

这两平面镜应如何放置？

分析与解 画出如图2.10所示的光路示意图,我们只要找到镜面夹角

θ与反射光线和入射光线夹角ϕ的关系,并令90ϕ=︒,即可求得θ的值.设

入射光线与镜面OM 的夹角为α,则结合反射定律可知

OBC α∠=,1802ABC α∠=︒-

则

180OCB αθ∠=︒--

180222180BCD OCB αθ∠=︒-∠=+-︒

1801802ABC BCD ϕθ=︒-∠-∠=︒-

令90ϕ=︒,可得45θ=︒.因此两镜面夹角应为45︒.

例4 （上海第29届大同杯初赛）如图2.11所示,平面镜OM 与ON 之间夹

角为α,在两平面镜角平分线上有一个点光源S ,如果要保证S 发出的任意一条

光线最多只能产生两次反射,则α的最小值是（ ）.

A ．120︒

B ．90︒