2023-2024（上） 全品學(xué)練考 高中物理 選擇性必修第一冊(cè)第4章 光全反射導(dǎo)學(xué)案含答案

2023-2024（上）全品學(xué)練考高中物理選擇性必修第一冊(cè)第4章光2全反射學(xué)習(xí)任務(wù)一全反射現(xiàn)象的理解[教材鏈接]閱讀教材,填寫全反射的相關(guān)知識(shí).(1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)①光疏介質(zhì):折射率的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì).

②光密介質(zhì):折射率的介質(zhì)稱為光密介質(zhì).

(2)全反射:光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達(dá)到時(shí),折射光,只剩下反射光,這種現(xiàn)象叫作全反射.

(3)臨界角定義:光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),使折射角等于時(shí)的入射角叫作臨界角.

表達(dá)式:sinC=.

例1一束光從某介質(zhì)射向空氣,入射角是60°,該介質(zhì)對(duì)該光線的折射率為2,則下列光路圖中正確的是(圖中Ⅰ為空氣,Ⅱ?yàn)樵摻橘|(zhì)) ()ABCD變式1光線由某種介質(zhì)射向與空氣的分界面,當(dāng)入射角增大到45°時(shí)折射光線恰好消失,則這種介質(zhì)的折射率是 ()A.22 B.2 C.12 D變式2[2022·北大附中期中]用玻璃制成的一塊棱鏡的截面圖如圖所示,其中ABOD是矩形,OED是半徑為R的四分之一圓,O為圓心,OB長(zhǎng)為R3.一束光線從AB面上以入射角θ1射入棱鏡后,恰好在O點(diǎn)發(fā)生全反射后從圓弧面射出,光路圖如圖所示.已知光在空氣中的傳播速度為c,在棱鏡中的傳播速度為45c,則該光束在棱鏡中傳播的時(shí)間為 (A.3R2c C.3Rc D【要點(diǎn)總結(jié)】1.光從一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)的界面上,反射現(xiàn)象一定發(fā)生,折射現(xiàn)象有可能發(fā)生.若發(fā)生了全反射,則折射光線消失,折射現(xiàn)象沒有發(fā)生,反射光的能量等于入射光的能量.2.全反射現(xiàn)象仍然符合光的反射定律.3.發(fā)生全反射時(shí)必須同時(shí)滿足的兩個(gè)條件是:光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),且入射角等于或大于臨界角.學(xué)習(xí)任務(wù)二全反射棱鏡對(duì)光線的作用[科學(xué)思維](1)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若光由介質(zhì)進(jìn)入空氣(真空),則根據(jù)sinC=1n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、運(yùn)算及變換.(2)全反射棱鏡改變光路的幾種情況方式一方式二方式三光路圖入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光線方向改變角度90°180°0°(發(fā)生側(cè)移)例2如圖所示,透明光學(xué)材料制成的棱鏡的截面為等腰直角三角形,其折射率為n=2.一束波長(zhǎng)為564nm的單色光平行于底面射向棱鏡,入射點(diǎn)為O,O、C間距離大于33(1)求此單色光在棱鏡中的波長(zhǎng)(2≈1.41);(2)這束光首先從哪個(gè)面射出?出射光線的方向如何?寫出計(jì)算過程并畫出光路圖.例3空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射,分別從方框下方和上方射出,其框外光線如圖所示.方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n=1.5的全反射玻璃棱鏡.圖給出了兩棱鏡的四種放置方式的示意圖,其中能產(chǎn)生圖中效果的是 ()【要點(diǎn)總結(jié)】五種求折射率的方法:(1)運(yùn)用折射率公式n=sinisinr;(2)運(yùn)用公式n=cv;(3)運(yùn)用臨界角公式sinC=1n;(4)運(yùn)用視深公式H=nh(式中學(xué)習(xí)任務(wù)三光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[物理觀念]實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲,直徑在幾微米到一百微米之間,由內(nèi)芯和外套兩層組成,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,使反射光的能量最強(qiáng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送.因此,光信號(hào)能攜帶著聲音、圖像以及各種數(shù)字信號(hào)沿著光纖傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方,實(shí)現(xiàn)光纖通信,其主要優(yōu)點(diǎn)是容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等.醫(yī)學(xué)上用光導(dǎo)纖維制成內(nèi)窺鏡,用來檢查人體的胃、腸等器官內(nèi)部,如圖所示.例4[2022·濟(jì)南一中期中]圖為一光導(dǎo)纖維(可簡(jiǎn)化為一長(zhǎng)玻璃絲)的示意圖,AB代表端面.光線以入射角i從端面的O點(diǎn)射入,在D處恰好發(fā)生全反射.已知光在真空的傳播速度為c.(1)求光在玻璃絲中的折射率;(2)若玻璃絲長(zhǎng)為L(zhǎng),求光線從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣娴臅r(shí)間.變式3一束光在光導(dǎo)纖維中傳播的示意圖如圖所示,光導(dǎo)纖維對(duì)該束光的折射率為n,該段光導(dǎo)纖維的長(zhǎng)度為L(zhǎng),圖中的光線剛好在光導(dǎo)纖維與空氣的界面處發(fā)生全反射.已知空氣對(duì)該束光的折射率為1,光在真空中傳播的速度為c,下列說法正確的是 ()A.光導(dǎo)纖維的折射率n>1B.光導(dǎo)纖維的折射率n<1C.光在光導(dǎo)纖維中傳播的時(shí)間為nLD.光在光導(dǎo)纖維中傳播的時(shí)間為L(zhǎng)[反思感悟]

【要點(diǎn)總結(jié)】光導(dǎo)纖維是全反射現(xiàn)象的應(yīng)用,解決此類問題要注意兩點(diǎn):(1)全反射問題.要使光在光導(dǎo)纖維側(cè)面發(fā)生全反射,光在光纖側(cè)面的入射角必須大于臨界角,注意光在光纖側(cè)面的入射角與進(jìn)入光纖端面時(shí)的入射角之間的關(guān)系.(2)傳播時(shí)間問題.光在光纖中的傳播時(shí)間等于光纖長(zhǎng)度與光速在光纖軸線方向的分量的比值,在剛好發(fā)生全反射時(shí),光速在光纖軸線方向的分量最小,時(shí)間最長(zhǎng).1.(全反射的條件)關(guān)于全反射,下列敘述中正確的是 ()A.發(fā)生全反射時(shí)仍有折射光線,只是折射光線非常弱,因此可認(rèn)為折射光線不存在B.光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)有可能不發(fā)生全反射現(xiàn)象C.光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)一定發(fā)生全反射現(xiàn)象D.光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象2.(全反射棱鏡)圖中的等腰直角三角形表示三棱鏡的截面.光線垂直于直角邊入射,在底面上發(fā)生全反射,由此可知棱鏡的折射率不可能是 ()A.1.7 B.1.8C.1.5 D.1.33.(光導(dǎo)纖維)[2022·武漢二中月考]光導(dǎo)纖維由很細(xì)的內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套大,光傳播時(shí)在內(nèi)芯和外套的界面發(fā)生全反射,如圖所示.為了研究簡(jiǎn)單,現(xiàn)設(shè)外套為空氣,內(nèi)芯的折射率為n,一束光線由空氣射入內(nèi)芯,在內(nèi)芯與空氣的界面恰好發(fā)生全反射.若真空中光速為c,則光線通過邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的光導(dǎo)纖維所用的時(shí)間為 ()A.Lc B.nLcC.n2L4.(全反射的應(yīng)用)如圖所示,某L形透明材料的折射率n=2.現(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(huì)射入空氣,求θ的最大值.[反思感悟]

2全反射[教材鏈接](1)①較?、谳^大(2)90°完全消失(3)90°1例1D[解析]由題意知,光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由sinC=1n=22得C=45°<θ=變式1B[解析]入射角增大到45°時(shí),折射光線恰好消失,則這種介質(zhì)的臨界角C=45°,所以折射率n=1sinC=2變式2D[解析]棱鏡的折射率為n=c45c=54,光線在O點(diǎn)恰好發(fā)生全反射,入射角等于臨界角C,則有sinC=1n=45,則光束在棱鏡中傳播的距離為s=R3sinC+R=例2(1)400nm(2)BC面與AB面平行計(jì)算過程見解析,光路圖如圖所示[解析](1)由速度、波長(zhǎng)與頻率之間的關(guān)系可得c=λf,v=λ'f,v=cn,則光在棱鏡中的波長(zhǎng)為λ'=λn=5642nm(2)光路圖如圖所示,光在AC面發(fā)生折射,入射角為θ1=45°,由折射定律可得n=sinθ1sinθ2=sin45°sinθ2,解得折射角為θ2=30°.由于O點(diǎn)到C點(diǎn)的距離大于33AC,根據(jù)幾何關(guān)系可知光線會(huì)射向AB面,在AB面的入射角為θ3=90°-(θ1-θ2)=75°,由臨界角公式得sinC=1n=22,解得臨界角為C=45°,因入射角大于臨界角,故光在AB面發(fā)生全反射.光經(jīng)AB面反射后射向BC面,由幾何關(guān)系可得在BC面上的入射角為θ4=θ2=例3B[解析]四個(gè)選項(xiàng)的光路圖如圖所示,故B正確.例4(1)sin2i+1(2)(1+sin2[解析](1)如圖所示,設(shè)光線在端面AB的折射角為r,由折射定律得n=sin設(shè)該光線在玻璃絲內(nèi)發(fā)生全反射時(shí)的臨界角為C,有sinC=1由幾何關(guān)系得C+r=90°解得n=sin(2)光在玻璃絲中傳播速度的大小為v=c光在玻璃絲內(nèi)傳播的路程s=L光線從端面AB傳播到另一端面所需要的時(shí)間為T=s解得T=(1+sin2i)L變式3A[解析]由于光發(fā)生全反射的條件之一是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),所以光導(dǎo)纖維的折射率比空氣的折射率大,即n>1,故A正確,B錯(cuò)誤;當(dāng)光線在界面處發(fā)生全反射時(shí),根據(jù)臨界角與折射率的關(guān)系sinC=1n,光在光導(dǎo)纖維中的傳播速度為v=cn,v在沿光導(dǎo)纖維方向的分量為vx=vsinC=cn2,所以光在光導(dǎo)纖維中傳播的時(shí)間為t=L隨堂鞏固1.B2.D[解析]由臨界角公式可知sinC=1n,故此棱鏡的最小折射率n=1sin45°3.C[解析]一束光線由空氣射入內(nèi)芯,在內(nèi)芯與空氣的界面恰好發(fā)生全反射,設(shè)臨界角為C,則光的傳播方向與光導(dǎo)纖維的方向之間的夾角為90°-C,光通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光導(dǎo)纖維時(shí)的路程為s=Lcos(90°-C)=LsinC,光導(dǎo)纖維的折射率為n,則光在光導(dǎo)纖維中的傳播速度v=cn,由于n=14.60°[解析]要使光線不會(huì)射入空氣,即發(fā)生全反射,設(shè)臨界角為C,有sinC=1由幾何關(guān)系得C+θ=90°聯(lián)立解得θ=60°2全反射建議用時(shí):40分鐘◆知識(shí)點(diǎn)一全反射條件1.關(guān)于全反射,下列說法正確的是 ()A.光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)一定發(fā)生全反射B.光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射C.光從折射率大的介質(zhì)射向折射率小的介質(zhì)時(shí)一定發(fā)生全反射D.光從傳播速度小的介質(zhì)射向傳播速度大的介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射2.[2022·杭州二中月考]酷熱的夏天,在平坦的柏油公路上,你會(huì)看到在一定距離之外的地面顯得格外明亮,仿佛是一片水面,似乎還能看到遠(yuǎn)處車、人的倒影.但當(dāng)你靠近“水面”時(shí),它卻隨著你的靠近而后退.對(duì)此現(xiàn)象的解釋正確的是 ()A.該現(xiàn)象是“海市蜃樓”,是由于光的干涉造成的B.“水面”不存在,是由于酷熱難耐,人產(chǎn)生的幻覺C.太陽輻射到地面,使地表溫度升高,地表附近空氣的折射率大,發(fā)生全反射D.太陽輻射到地面,使地表溫度升高,地表附近空氣的折射率小,發(fā)生全反射3.[2022·合肥一中月考]如圖所示,用激光筆從A點(diǎn)照射半圓形玻璃磚的圓心O點(diǎn),發(fā)現(xiàn)有OB、OC兩條細(xì)光束.當(dāng)入射光束AO繞O點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)小角度θ,OB、OC也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng).則 ()A.光束OB順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度等于θB.光束OC逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小于θC.光束OB逐漸變亮D.光束OC逐漸變亮◆知識(shí)點(diǎn)二全反射的計(jì)算4.[2022·廈門一中月考]如圖所示,一個(gè)三棱鏡的截面為等腰直角三角形ABC,∠A為直角,此截面所在平面內(nèi)的光線沿平行于BC邊的方向射到AB邊,進(jìn)入棱鏡后直接射到AC邊上,并剛好能發(fā)生全反射,該棱鏡材料的折射率為 ()A.3 B.2 C.32 D.5.如圖所示,一束光從空氣垂直射到直角三棱鏡的AB面上,已知棱鏡材料的折射率為1.5,則這束光進(jìn)入棱鏡后的光路圖應(yīng)為圖中的 ()◆知識(shí)點(diǎn)三全反射的應(yīng)用6.[2022·青島二中月考]自行車的尾燈采用了全反射棱鏡的原理,它雖然本身不發(fā)光,但在夜間騎行時(shí),從后面開來的汽車發(fā)出的強(qiáng)光照到尾燈后,會(huì)有較強(qiáng)的光被反射回去,使汽車司機(jī)注意到前面有自行車.尾燈由透明介質(zhì)制成,其外形如圖甲所示,下面說法正確的是 ()A.汽車燈光從左面射過來,在尾燈的左表面發(fā)生全反射B.汽車燈光從左面射過來,在尾燈的右表面發(fā)生全反射C.汽車燈光從右面射過來,在尾燈的左表面發(fā)生全反射D.汽車燈光從右面射過來,在尾燈的右表面發(fā)生全反射7.(多選)近幾年,“半潛艇”旅游發(fā)展迅速.“半潛艇”船體主要部分半浸入水中,而甲板始終會(huì)浮出水面,不能完全潛航,機(jī)艙的游客處在低于海平面的高度,可以通過玻璃窗觀察水中的場(chǎng)景,原理圖如圖,已知該處水的折射率為1.44,潛艇玻璃表面和水面垂直,且玻璃的厚度可以忽略.若不考慮反射光線,則以下說法正確的是 ()A.游客在潛艇內(nèi)部看到正前方的魚比實(shí)際位置要近一些B.潛艇正前方的魚看到潛艇中的人比實(shí)際的位置要近一些C.游客在潛艇內(nèi)部用手電筒朝水中照射時(shí),水面上的人可能看到手電筒發(fā)出的光D.水面上方射入水中的光線不能照射到潛艇內(nèi)部8.(多選)一個(gè)水平放置的透明球殼內(nèi)一半的體積充滿了某種均質(zhì)透明膠體,如圖所示.為了研究膠體的折射率,用一激光筆從下半部分的C點(diǎn)射向球心O,在球殼的上半部分D點(diǎn)接收到光線.將激光筆從C點(diǎn)向A移動(dòng),移動(dòng)過程中保持光線始終射向球心O.當(dāng)光線與界面AB的夾角θ為53°時(shí),恰好觀察不到從界面AB射向空氣的光束.此時(shí) ()A.膠體的折射率為1.25B.膠體的折射率為1.67C.激光在膠體中的傳播速度為45D.θ為53°時(shí)激光在膠體中的傳播時(shí)間為109.[2022·黃岡中學(xué)月考]如圖所示,柱狀光學(xué)器件橫截面為等腰梯形,AB邊長(zhǎng)為d,CD邊長(zhǎng)為3d,AE=14AD,底角為45°.一束細(xì)激光從E點(diǎn)垂直AD面入射,器件介質(zhì)對(duì)激光的折射率為3.已知激光在真空中的傳播速度為c,則這束激光從射入到第一次從器件中射出在器件中經(jīng)歷的時(shí)間為 (A.36d2c B.32dc 10.如圖所示,一種光學(xué)傳感器是通過接收器Q接收到光的強(qiáng)度變化而觸發(fā)工作的.當(dāng)光從擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)P點(diǎn)以入射角α=30°射向外側(cè)M點(diǎn)時(shí),其折射光線與反射光線恰好垂直;而當(dāng)光從P點(diǎn)射向外側(cè)的N點(diǎn)時(shí),剛好發(fā)生全反射并被Q接收,已知光在真空中的傳播速度為c,PQ的距離為L(zhǎng),求:(1)玻璃的折射率;(2)光由P點(diǎn)經(jīng)全反射到達(dá)接收器Q的時(shí)間.11.一個(gè)半圓柱形玻璃磚,其橫截面是半徑為R的半圓,AB為半圓的直徑,O為圓心,如圖所示.玻璃的折射率為n=2.(1)一束平行光垂直射向玻璃磚的下表面,若光線到達(dá)上表面后,都能從該表面射出,則入射光束在AB上的最大寬度為多少?(2)一細(xì)束光線在O點(diǎn)左側(cè)與O相距32R處垂直于AB從下方入射,求此光線從玻璃磚射出點(diǎn)的位置2全反射1.D[解析]全反射的條件之一是光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),折射率大的介質(zhì)相對(duì)于折射率小的介質(zhì)是光密介質(zhì),同一種光在不同介質(zhì)中傳播,傳播速度小的介質(zhì)相對(duì)于傳播速度大的介質(zhì)是光密介質(zhì),故D正確,A、B、C錯(cuò)誤.2.D[解析]酷熱的夏天,地表溫度高,地表附近空氣的密度小,空氣的折射率下小上大,遠(yuǎn)處的車、人反射的太陽光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),發(fā)生全反射,就會(huì)出現(xiàn)如此現(xiàn)象,故D正確.3.D[解析]由圖可知,OB為折射光線,光從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì),入射角小于折射角,當(dāng)入射光束AO繞O點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),OB為折射光線也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),但轉(zhuǎn)動(dòng)的更快,所以光束OB順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大于θ,故A錯(cuò)誤;由圖可知,光束OC為反射光線,轉(zhuǎn)動(dòng)方向與入射光線相反,但轉(zhuǎn)動(dòng)快慢相同,故B錯(cuò)誤;當(dāng)入射光線AO轉(zhuǎn)動(dòng)到一定程度時(shí),入射角等于臨界角,發(fā)生全發(fā)射,折射光線會(huì)消失,這一過程中,折射光線變暗,反射光線變亮,故C錯(cuò)誤,D正確.4.D[解析]如圖所示,由幾何關(guān)系可得i=45°,r+α=90°,光束射到AB邊時(shí),根據(jù)光的折射定律有n=sinisinr=sin45°cosα,當(dāng)光束射到AC邊時(shí),恰好發(fā)生全反射有n=5.D[解析]設(shè)臨界角為C,有sinC=1n=23,光垂直于AB面射入時(shí),光的傳播方向不變,射到AC面時(shí),入射角為i=60°,有sini=sin60°=32>sinC=23,所以光在AC面上發(fā)生全反射,射到BC面上時(shí)的入射角為30°,因?yàn)閟in30°=12<sinC=236.C[解析]作出一條光路如圖所示,由圖可知,每一部分相當(dāng)于一塊全反射棱鏡,要想讓后面的司機(jī)看到反射光,光只能從右側(cè)(直邊)射入,經(jīng)過尾燈左表面反射回去,故選項(xiàng)C正確.7.AD[解析]人眼看到的折射光線的反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)比魚的實(shí)際位置偏近,所以人看到的魚比實(shí)際位置要近一些,A正確;魚看到的折射光線的反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)比人的實(shí)際位置偏遠(yuǎn),所以魚看到的人比實(shí)際位置要遠(yuǎn)一些,B錯(cuò)誤;光線從潛艇中射入水中時(shí),最大的折射角小于45°,因此光線射到水面時(shí)最小的入射角大于45°,一定會(huì)發(fā)生全反射,所以光線不能從水面射出,同理可知,水面上方射入水中的光線也不能照射到潛艇內(nèi)部,C錯(cuò)誤,D正確.8.BD[解析]由題知當(dāng)光線與界面AB的夾角θ為53°時(shí),恰好觀察不