教科選修3443光的全反射課件

3.光的全反射

必備知識·自主學(xué)習(xí)一、全反射現(xiàn)象及其條件1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì):項(xiàng)目名稱光疏介質(zhì)光密介質(zhì)定義光在其中傳播速度_________的介質(zhì),即折射率_________的介質(zhì)

光在其中傳播速度_________的介質(zhì),即折射率_________的介質(zhì)

折射特點(diǎn)(1)光從_________介質(zhì)射入_________介質(zhì)時(shí),折射角小于入射角

(2)光從_________介質(zhì)射入_________介質(zhì)時(shí),折射角大于入射角

較大較小較小較大光疏光密光密光疏2.全反射及臨界角:(1)全反射:光從光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)的界面時(shí),全部被___________原介質(zhì)的現(xiàn)象叫作全反射。

(2)臨界角:光從某種介質(zhì)射向真空或空氣時(shí)使折射角變?yōu)?0°時(shí)的_________,用字母C表示。

3.發(fā)生全反射的條件:(1)光從_________介質(zhì)射入_________介質(zhì)。

(2)入射角_______________臨界角。

4.臨界角與折射率的關(guān)系:光由介質(zhì)射入空氣(真空)時(shí),_________。

反射回入射角光密光疏等于或大于【易錯(cuò)辨析】(1)光密介質(zhì)是指密度大的介質(zhì)。 ()(2)一種介質(zhì)不是光疏介質(zhì)就是光密介質(zhì)。 ()(3)光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)后速度減小。 ()(4)光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)才能發(fā)生全反射。 ()(5)臨界角與折射率成反比。 ()提示:(1)×。光密介質(zhì)是指折射率大的介質(zhì)。(2)×。一種介質(zhì)究竟是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)是相對其他介質(zhì)而言的。(3)√。光密介質(zhì)的折射率大,光在其中的傳播速度小。(4)×。光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)才能發(fā)生全反射。(5)×。臨界角隨折射率的增大而減小,但不是反比關(guān)系。二、光導(dǎo)纖維1.光導(dǎo)纖維的原理:利用了___________的原理。

2.光導(dǎo)纖維的構(gòu)造:光導(dǎo)纖維是一根極細(xì)的玻璃絲,直徑約有幾微米到100微米不等,由兩種折射率不同的玻璃制成,分內(nèi)層和外層,內(nèi)層的折射率比外層的折射率_______,當(dāng)光在光纖內(nèi)傳播時(shí),會在兩層玻璃的界面上發(fā)生___________,通過一系列的全反射,光就沿著彎彎曲曲的光纖從一端傳到另一端。

3.光導(dǎo)纖維的應(yīng)用:(1)制成醫(yī)學(xué)上常用的___________。

(2)實(shí)現(xiàn)光纖_________。

4.光纖通信的優(yōu)點(diǎn):容量大、衰減小、_________________、傳輸速率高。

全反射大全反射內(nèi)窺鏡通信抗干擾能力強(qiáng)【情境思考】光導(dǎo)纖維有什么優(yōu)點(diǎn)?提示:質(zhì)地輕、彎曲自如、傳光效率高、抗機(jī)械振動、耐腐蝕性好、能量損耗小、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、通信容量大。關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)知識點(diǎn)一全反射問題探究:如下圖,光由玻璃斜射向空氣,假設(shè)逐漸增參加射角,當(dāng)入射角增大到一定程度后將出現(xiàn)折射光消失的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象叫作全反射。請問:要想出現(xiàn)這種現(xiàn)象必須具備什么條件?提示:由圖可知,必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:①入射角足夠大;②光由折射率大的介質(zhì)射向折射率小的介質(zhì)?！竞诵臍w納】1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)(1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較:(2)相對性:光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對的。任何兩種透明介質(zhì)都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質(zhì)或光密介質(zhì)。(3)光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的,并不是它的密度大小。例如,酒精的密度比水小,但酒精和水相比酒精是光密介質(zhì)。光的傳播速度折射率光疏介質(zhì)大小光密介質(zhì)小大2.全反射現(xiàn)象:(1)全反射的條件:①光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。②入射角大于或等于臨界角。(2)全反射遵循的規(guī)律:發(fā)生全反射時(shí),光全部返回原介質(zhì),入射光與反射光遵循光的反射定律,由于不存在折射光線,光的折射定律不再適用。(3)從能量角度來理解全反射:當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí),隨著入射角增大,折射角也增大。同時(shí)折射光線強(qiáng)度減弱,即折射光線能量減小,反射光線強(qiáng)度增強(qiáng),能量增加,當(dāng)入射角到達(dá)臨界角時(shí),折射光線強(qiáng)度減弱到零,反射光的能量等于入射光的能量。3.不同色光的臨界角:不同顏色的光由同一介質(zhì)射向空氣或真空時(shí),頻率越高的光的臨界角越小,越易發(fā)生全反射。提醒:(1)對光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)的理解方面:同一種介質(zhì)到底是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)是不確定的,必須與其他介質(zhì)的折射率進(jìn)行比較才能得到答案。(2)臨界角大小的決定因素方面:臨界角的大小由光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的折射率及光的頻率共同決定?！镜漕}示范】【典例】(2021·全國卷Ⅱ)如圖,△ABC是一直角三棱鏡的橫截面,∠A=90°,∠B=60°,一細(xì)光束從BC邊的D點(diǎn)折射后,射到AC邊的E點(diǎn),發(fā)生全反射后經(jīng)AB邊的F點(diǎn)射出。EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中點(diǎn)。不計(jì)屢次反射。(1)求出射光相對于D點(diǎn)的入射光的偏角。(2)為實(shí)現(xiàn)上述光路,棱鏡折射率的取值應(yīng)在什么范圍?【解析】(1)光線在BC面上折射,由折射定律有sini1=nsinr1 ①式中,n為棱鏡的折射率,i1和r1分別是該光線在BC面上的入射角和折射角。光線在AC面上發(fā)生全反射,由反射定律有i2=r2 ②式中i2和r2分別是該光線在AC面上的入射角和反射角。光線在AB面上發(fā)生折射,由折射定律有nsini3=sinr3 ③式中i3和r3分別是該光線在AB面上的入射角和折射角。由幾何關(guān)系得i2=r2=60°,r1=i3=30°④F點(diǎn)的出射光相對于D點(diǎn)的入射光的偏角為δ=(r1-i1)+(180°-i2-r2)+(r3-i3) ⑤由①②③④⑤式得δ=60°⑥(2)光線在AC面上發(fā)生全反射,光線在AB面上不發(fā)生全反射,有nsini2≥nsinC>nsini3 ⑦式中C是全反射臨界角,滿足nsinC=1 ⑧由④⑦⑧式知,棱鏡的折射率n的取值范圍應(yīng)為答案:(1)60°(2)【規(guī)律方法】解決全反射問題的思路(1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì),還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。(2)假設(shè)光由光密介質(zhì)進(jìn)入空氣時(shí),那么根據(jù)sinC=確定臨界角,看是否發(fā)生全反射。(3)根據(jù)題設(shè)條件,畫出入射角等于臨界角的“臨界光路〞。(4)運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行判斷推理,進(jìn)行動態(tài)分析或定量計(jì)算。【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(2021·廣安高二檢測)折射率n=的直角玻璃三棱鏡截面如下圖,一條光線從AB面入射,入射角為i(圖中未標(biāo)出),ab為其折射光線,ab與AB面的夾角θ=60°。那么 ()=45°,光在AC面上不發(fā)生全反射=45°,光在AC面上發(fā)生全反射=30°,光在AC面上不發(fā)生全反射=30°,光在AC面上發(fā)生全反射【解析】選B。由折射定律可知:解得:i=45°由sinC=可知,光線在AC面上發(fā)生全反射的臨界角為C=45°。由于ab在AC面上的入射角為60°,所以光線ab在AC面上發(fā)生了全反射,不能從AC面上折射出去。應(yīng)選B。2.(2021·江蘇高考)如下圖,某L形透明材料的折射率n=2?，F(xiàn)沿AB方向切去一角,AB與水平方向的夾角為θ。為使水平方向的光線射到AB面時(shí)不會射入空氣,求θ的最大值?！窘馕觥恳构饩€不會射入空氣,即發(fā)生全反射,設(shè)臨界角為C,即有:sinC=由幾何關(guān)系得:C+θ=90°聯(lián)立解得:θ=60°。答案:60°【加固訓(xùn)練】1.如下圖,A、B、C為等腰棱鏡,a、b兩束不同頻率的單色光垂直AB邊射入棱鏡,兩束光在AB面上的入射點(diǎn)到OC的距離相等,兩束光折射后相交于圖中的P點(diǎn),以下判斷正確的選項(xiàng)是 ()A.在真空中,a光光速大于b光光速B.在真空中,a光波長大于b光波長光通過棱鏡的時(shí)間大于b光通過棱鏡的時(shí)間、b兩束光從同一介質(zhì)射入真空過程中,a光發(fā)生全反射的臨界角大于b光發(fā)生全反射的臨界角【解析】選C。因?yàn)閮墒庹凵浜笙嘟挥趫D中的P點(diǎn),根據(jù)折射定律可知a光的折射率na>nb,a光的頻率νa>νb,光在真空中的傳播速度相等,A錯(cuò)誤;由λ=得B錯(cuò)誤;由v=和t=得C正確;根據(jù)sinC=得D錯(cuò)誤。2.如下圖,直角三角形ABC為一三棱鏡的截面,∠A=30°。一束單色光從空氣射向BC上的E點(diǎn),并偏折到AB上的F點(diǎn),光線EF平行于底邊AC。入射方向與BC的夾角θ=30°。試通過計(jì)算判斷光在F點(diǎn)能否發(fā)生全反射。【解析】光線在BC界面的入射角i=60°,折射角r=30°。

根據(jù)折射定律,得由幾何關(guān)系知,光線在AB界面的入射角為i′=60°,因此sini′=而棱鏡對空氣的臨界角C的正弦值sinC==,那么由sini′>sinC知,在AB界面的入射角i′>C,所以光線在F點(diǎn)將發(fā)生全反射。答案:見解析知識點(diǎn)二光導(dǎo)纖維問題探究:

如下圖是光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)示意圖,其內(nèi)芯和外套由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)構(gòu)成,內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高。請問:在制作光導(dǎo)纖維時(shí),選用的材料為什么要求內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高?提示:光只有滿足從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),才會發(fā)生全反射。而光導(dǎo)纖維要傳播加載了信息的光,需要所有光在內(nèi)芯中經(jīng)過假設(shè)干次反射后,全部到達(dá)目的地,所以需要發(fā)生全反射,故內(nèi)芯對光的折射率必須要比外套對光的折射率高?！竞诵臍w納】1.構(gòu)造及傳播原理:(1)構(gòu)造:光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲,直徑只有1～100μm,如下圖,它是由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率。(2)傳播原理:光由一端進(jìn)入,在兩層的界面上經(jīng)過屢次全反射,從另一端射出,光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳播光,光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信號,進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像。如果把許多(上萬根)光導(dǎo)纖維合成一束,并使兩端的纖維按嚴(yán)格相同的次序排列,就可以傳播圖像。2.光導(dǎo)纖維的折射率:設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n,當(dāng)入射角為i時(shí),進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)恰好發(fā)生全反射,如下圖,那么有:sinC=,,C+r=90°,由以上各式可得:sini=。由圖可知:當(dāng)i增大時(shí),r增大,而從纖維射向空氣中光線的入射角θ減小,當(dāng)i=90°時(shí),假設(shè)θ=C,那么所有進(jìn)入纖維中的光線都能發(fā)生全反射,即解得n=,以上是光從纖維射向真空時(shí)得到的折射率,由于光導(dǎo)纖維包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此折射率要比大些?！镜淅痉丁俊镜淅抗鈱?dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如下圖,其內(nèi)芯和外套材料不同,光在內(nèi)芯中傳播。以下關(guān)于光導(dǎo)纖維的說法正確的選項(xiàng)是 ()A.內(nèi)芯的折射率比外套的大,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射B.內(nèi)芯的折射率比外套的小,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射C.內(nèi)芯的折射率比外套的小,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生折射D.內(nèi)芯的折射率與外套的相同,外套的材料有韌性,可以起保護(hù)作用【解析】選A。發(fā)生全反射的條件是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),所以內(nèi)芯的折射率大,且光傳播在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射,應(yīng)選A?！舅仞B(yǎng)訓(xùn)練】(2021·江蘇高考)我國的光纖通信技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。光纖內(nèi)芯(內(nèi)層玻璃)的折射率比外套(外層玻璃)的________(選填“大〞或“小〞)。某種光纖的內(nèi)芯在空氣中全反射的臨界角為43°,那么該內(nèi)芯的折射率為________。(取sin43°=0.68,cos43°=0.73,結(jié)果保存2位有效數(shù)字)

【解析】全反射發(fā)生在光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),所以為了使光在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射,光纖內(nèi)芯的折射率比外套的折射率大,這樣才能保證信息的傳輸。該內(nèi)芯的折射率為答案:大【加固訓(xùn)練】1.光纖通信是一種現(xiàn)代化的通信手段,它可以為客戶提供大容量、高速度、高質(zhì)量的通信效勞,為了研究問題方便,我們將光導(dǎo)纖維簡化為一根長直玻璃管,如下圖。設(shè)此玻璃管長為L,折射率為n。從玻璃管左端面射入玻璃內(nèi)的光線在玻璃管的側(cè)面上恰好能發(fā)生全反射,最后從玻璃管的右端面射出。設(shè)光在真空中的傳播速度為c,那么光通過此段玻璃管所需的時(shí)間為 ()【解析】選A。用C表示臨界角,那么有sinC=,那么光在玻璃管中的傳播速度為v=。光在沿玻璃管軸線的方向上做勻速傳播。所用時(shí)間為故A正確。2.(多項(xiàng)選擇)在光纖制造過程中,由于拉伸速度不均勻,會使得拉出的光纖偏離均勻的圓柱體,而呈現(xiàn)圓臺形狀(如下圖)。此光纖長度為L,圓臺對應(yīng)底角為θ,折射率為n,真空中光速為c?，F(xiàn)光從下方垂直射入下臺面,那么 ()A.光從真空射入光纖,光子的頻率不變B.光通過此光纖到達(dá)小截面的最短時(shí)間為C.從上方截面射出的光束一定是平行光D.假設(shè)滿足sinθ>,那么光在第一次到達(dá)光纖側(cè)面時(shí)不會從光纖側(cè)面射出【解析】選A、D。光子的頻率由光源決定,與介質(zhì)無關(guān),所以光從真空射入光纖,光子的頻率不變,故A正確。光通過此光纖到達(dá)小截面的最短距離為L,光在光纖中的傳播速度v=,那么光通過此光纖到達(dá)小截面的最短時(shí)間為t==,故B錯(cuò)誤。通過光纖側(cè)面全反射后再從上方截面射出的光束與垂直射出上方截面的光束不平行,故C錯(cuò)誤。設(shè)臨界角為C,那么sinC=到達(dá)光纖側(cè)面光線入射角等于θ,當(dāng)θ>C,即有sinθ>,那么光在第一次到達(dá)光纖側(cè)面時(shí)發(fā)生全反射,不會從光纖側(cè)面射出,故D正確。3.如下圖,AB為光導(dǎo)纖維,A、B之間距離為s,使一光脈沖信號從光導(dǎo)纖維中間入射,射入后在光導(dǎo)纖維與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射,由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時(shí)間為t,求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率n?！窘馕觥吭O(shè)介質(zhì)的折射率為n,那么有sinα=sinC= ①n= ② ③由以上三式解得答案:【拓展例題】考查內(nèi)容:全反射中光線范圍確實(shí)定【典例】如下圖,在桌面上有一倒立的玻璃圓錐,其頂點(diǎn)恰好與桌面接觸,圓錐的軸(圖中虛線)與桌面垂直,過軸線的截面為等邊三角形。有一半徑為r的圓柱形平行光束垂直入射到圓錐的底面上,光束的中心軸與圓錐的軸重合。玻璃的折射率為1.5,那么光束在桌面上形成的光斑半徑為 ()

【解析】選C。由即C<60°,故光線首先發(fā)生全反射,作出光路圖如下圖,由圖中幾何關(guān)系可得rtan60°=(R+r)tan30°,故R=2r,所以選項(xiàng)C正確?！菊n堂回眸】課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.光導(dǎo)纖維是利用光的全反射來傳輸光信號的(如下圖),一光導(dǎo)纖維內(nèi)芯折射率為n1,外層折射率為n2,一束光信號與界面夾角為α由內(nèi)芯射向外層,要在界面發(fā)生全反射,必須滿足的條件是 ()1>n2,α小于某一值1<n2,α大于某一值1>n2,α大于某一值1<n2,α小于某一值【解析】選A。光在內(nèi)芯和外層的界面上發(fā)生全反射,那么內(nèi)芯的折射率n1大于外層的折射率n2,由于入射角要大于等于臨界角,所以α應(yīng)小于某一值。故A正確,B、C、D錯(cuò)誤。2.一單色光,在空氣中的波長為λ0,在玻璃中的波長為λ,波速為v,玻璃對這種色光的折射率為