高中物理(新教材)選修1課件9：4 2 全反射 人教版

2全反射第4章光學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念2.理解全反射的條件,能計算有關(guān)問題和解釋相關(guān)現(xiàn)象3.了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光導(dǎo)纖維在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用一、全反射1.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)對于折射率不同的兩種介質(zhì),折射率較大的叫光密介質(zhì),折射率較小的叫光疏介質(zhì)。2.全反射當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時,同時發(fā)生折射和反射。如果入射角逐漸增大,折射光離法線會越來越遠,而且越來越弱,反射光卻越來越強。當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達到90°時,折射光完全消失,只剩下反射光,這種現(xiàn)象叫作全反射,這時的入射角叫作臨界角。知識梳理3.臨界角C與折射率n的關(guān)系(1)定量關(guān)系:光從介質(zhì)射入空氣(真空)時,(2)定性關(guān)系:介質(zhì)的折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小,越容易發(fā)生全反射。4.全反射的條件必須同時具備以下兩個條件:(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。(2)入射角等于或大于臨界角。二、全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維1.全反射棱鏡截面為等腰直角三角形的玻璃棱鏡,當(dāng)光線垂直任意一個表面射入時,在棱鏡內(nèi)部都能發(fā)生全反射,所以這樣的棱鏡叫全反射棱鏡。2.光導(dǎo)纖維(1)工作原理:光在有機玻璃棒內(nèi)發(fā)生全反射,沿鋸齒形路線傳播。(2)構(gòu)造:由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套的大,光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。(3)用途:傳遞聲音、圖像及各種數(shù)字信號,實現(xiàn)光纖通信。1.正誤判斷(1)密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì),密度小的介質(zhì)就是光疏介質(zhì)。(

)解析

光密與光疏是從介質(zhì)的光學(xué)特征上來講的,與密度大小無關(guān)。答案

×(2)光從空氣射入水中時可能發(fā)生全反射現(xiàn)象。(

)答案

×(3)光纖一般由折射率小的玻璃內(nèi)芯和折射率大的外層透明介質(zhì)組成。(

)答案

×(4)光纖通信有傳輸容量大的特點。(

)答案

√牛刀小試2.(多選)若水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63,光按以下幾種方式傳播,可能發(fā)生全反射的是(

)A.從玻璃射入水晶

B.從水射入二硫化碳C.從玻璃射入水

D.從水晶射入水解析

發(fā)生全反射的條件之一是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),光密介質(zhì)折射率較大,故A、C、D正確。ACD3.光纖通信中信號傳播的主要載體是光導(dǎo)纖維,它的結(jié)構(gòu)如圖所示,其內(nèi)芯和外套材料不同,光在內(nèi)芯中傳播。內(nèi)芯的折射率比外套的

,光傳播時在內(nèi)芯與

的界面上發(fā)生全反射。

解析

光纖內(nèi)芯比外套折射率大,在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。答案

大

外套夏季的早晨,從某一方向看植物葉子上的露珠會格外明亮,玻璃中的氣泡從側(cè)面看也是特別明亮,這是什么道理呢?一部分光發(fā)生了全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就會感覺特別明亮。一、對全反射的理解課堂探究夏季的早晨,從某一方向看植物葉子上的露珠會格外明亮,玻璃中的氣泡從側(cè)面看也是特別明亮,這是什么道理呢?一部分光發(fā)生了全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就會感覺特別明亮。一、對全反射的理解課堂探究1.對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解(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)。比較項目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,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,隨著入射角增大,折射角也增大。同時折射光線強度減弱,即折射光線能量減小,反射光線強度增強,能量增加,當(dāng)入射角達到臨界角時,折射光線強度減弱到零,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,頻率越高的光的臨界角越小,越易發(fā)生全反射。

典例精析解析

由題意可知sin

C=,可知臨界角為45°,因此從D點發(fā)出的光,豎直向上從M點射出的光線恰好是出射光線的邊緣,同時C點也恰好是出射光線的邊緣,如圖所示,因此光線只能從MC段射出,根據(jù)幾何關(guān)系可知,M恰好為AC的中點,因此在AA'C'C平面上有一半的面積有光線出射,A正確,B錯誤;折射率變小,導(dǎo)致臨界角會增大,這時M點上方也會有光線出射,因此出射光線區(qū)域的面積將增大,C正確,D錯誤。答案

AC解析

由題意可知sin

C=,可知臨界角為45°,因此從D點發(fā)出的光,豎直向上從M點射出的光線恰好是出射光線的邊緣,同時C點也恰好是出射光線的邊緣,如圖所示,因此光線只能從MC段射出,根據(jù)幾何關(guān)系可知,M恰好為AC的中點,因此在AA'C'C平面上有一半的面積有光線出射,A正確,B錯誤;折射率變小,導(dǎo)致臨界角會增大,這時M點上方也會有光線出射,因此出射光線區(qū)域的面積將增大,C正確,D錯誤。答案

AC規(guī)律總結(jié)求解全反射問題的思路1.求解全反射問題的步驟(1)確定光是由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。(2)若光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),則根據(jù)

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)運用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進行判斷推理,從而進行動態(tài)分析或定量計算。2.求光線照射的范圍時,關(guān)鍵是找出邊界光線,剛好能發(fā)生全反射時的臨界光線就是一條邊界光線。確定邊界光線時,關(guān)鍵是確定光線在什么位置時入射角等于臨界角。在桌子上放一枚硬幣,取一只玻璃杯,然后把玻璃杯壓在硬幣上。向玻璃棒中倒水,硬幣不見了。這是什么原理?全反射二、全反射的應(yīng)用課堂探究1.光導(dǎo)纖維的構(gòu)造及傳播原理光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲,直徑只有1~100μm。如圖所示,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,光由一端進入,在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射,從另一端射出。光導(dǎo)纖維可以遠距離傳輸光,光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信號,進而變?yōu)槁曇?、圖像以及各種數(shù)字信號。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格相同的次序排列,就可以傳輸圖像。2.全反射棱鏡全反射棱鏡是利用全反射改變光路以便于觀察。在圖甲中的等腰直角三角形ABC表示一個全反射棱鏡的橫截面,它的兩直角邊AB和BC表示棱鏡上兩個互相垂直的側(cè)面。如果光線垂直地射到AB面上,光在棱鏡內(nèi)會沿原來的方向射到AC面上。由于入射角(45°)大于光從玻璃射入空氣的臨界角(42°),光會在AC面上發(fā)生全反射,沿著垂直于BC的方向從棱鏡射出(圖甲)。如果光垂直地射到AC面上(圖乙),沿原方向射入棱鏡后,在AB、BC兩面上都會發(fā)生全反射,最后沿著與入射時相反的方向從AC面上射出。在光學(xué)儀器里,常用全反射棱鏡來代替平面鏡,改變光的傳播方向。圖丙是全反射棱鏡應(yīng)用在潛望鏡里的光路圖。例2

如圖所示,AB為一直光導(dǎo)纖維,AB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)纖維內(nèi)芯與外套的界面上恰好發(fā)生全反射,由A點傳輸?shù)紹點所用時間為t,求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率n。

典例精析1.光在某種介質(zhì)中傳播的速度為1.5×108m/s,光從此介質(zhì)射向空氣并發(fā)生全反射時的臨界角是(

)A.15°B.30°C.45°D.60°隨堂演練B2.關(guān)于光纖的下列說法正確的是(

)A.光纖是由高級金屬制成的,所以它比普通電線容量大B.光纖是非常細的特制玻璃絲,但導(dǎo)電性能特別好,所以它比普通電線衰減小C.光纖是非常細的特制玻璃絲,由內(nèi)芯和外套兩層組成,光纖是利用全反射原理來實現(xiàn)光的傳導(dǎo)的D.在實際應(yīng)用中,光纖必須呈筆直狀態(tài),因為彎曲的光纖是不能傳導(dǎo)光的解析

光導(dǎo)纖維的作用是傳導(dǎo)光,它是直徑為幾微米到一百微米之間的特制玻璃絲,且由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套的大。載有聲音、圖像及各種數(shù)字信號的激光傳播時,在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射,光纖具有容量大、衰減小、抗干擾性強等特點。在實際應(yīng)用中,光纖是可以彎曲的,選項C正確。C3.某種介質(zhì)相對空氣的折射率是,一束光從該介質(zhì)射向空氣,入射角是60°,則下列光路圖正確的是(圖中Ⅰ為空氣,Ⅱ為介質(zhì))(

)解析

由題意知,光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由

,得C=45°<60°,故在兩介質(zhì)的界面上會發(fā)生全反射,只有反射光線,沒有折射光線,故選項D正確。D4.(多選)如圖所示,ABCD是兩面平行的透明玻璃磚,AB面和CD面平行,設(shè)為界面Ⅰ和界面Ⅱ,光線從界面Ⅰ射入玻璃磚,再從界面Ⅱ射出,回到空氣中,如果改變光到達界面Ⅰ時的入射角,則(

)A.只要入射角足夠大,光線在界面Ⅰ上就可能發(fā)生全反射現(xiàn)象B.只要入射角足夠大,光線在界面Ⅱ上就可能發(fā)生全反射現(xiàn)象C.不管入射角多大,光線在界面Ⅰ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象D.不管入射角多大,光線在界面Ⅱ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象解析

在界面Ⅰ上,光由空氣進入玻璃磚,是由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì),不管入射角多大,都不能發(fā)生全反射現(xiàn)象,則A錯誤,C正確;在界面Ⅱ上,光由玻璃磚進入空氣,是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì),但是界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,因此光在界面Ⅱ上的入射角總是小于全反射臨界角,故不會發(fā)生全反射現(xiàn)象,則B錯誤,D正確。CD備用工具&資料3.某種介質(zhì)相對空氣的折射率是,一束光從該介質(zhì)射向空氣,入射角是60°,則下列光路圖正確的是(圖中Ⅰ為空氣,Ⅱ為介質(zhì))(

)解析

由題意知,光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由

,得C=45°<60°,故在兩介質(zhì)的界面上會發(fā)生全反射,只有反射光線,沒有折射光線,故選項D正確。D1.光在某種介質(zhì)中傳播的速度為1.5×108m/s,光從此介質(zhì)射向空氣并發(fā)生全反射時的臨界角是(

)A.15°B.30°C.45°D.60°隨堂演練B一、全反射1.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)對于折射率不同的兩種介質(zhì),折射率較大的叫光密介質(zhì),折射率較小的叫光疏介質(zhì)。2.全反射當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時,同時發(fā)生折射和反射。如果入射角逐漸增大,折射光離法線會越來越遠,而且越來越弱,反射光卻越來越強。當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達到90°時,折射光完全消失,只剩下反射光,這種現(xiàn)象叫作全反射,這時的入射角叫作臨界角。知識梳理3.臨界角C與折射率n的關(guān)系(1)定量關(guān)系:光從介質(zhì)射入空氣(真空)時,(2)定性關(guān)系:介質(zhì)的折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小,越容易發(fā)生全反射。4.全反射的條件必須同時具備以下兩個條件:(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。(2)入射角等于或大于臨界角。2.(多選)若水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33