人教版(新教材)高中物理選擇性必修1學(xué)案4：4 2 全反射

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊PAGEPAGE14.2全反射〖學(xué)習(xí)目標〗1．理解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)，了解“疏”與“密”是相對的。2．理解光的全反射，會利用全反射解釋有關(guān)現(xiàn)象。3．理解臨界角的概念、能判斷是否發(fā)生全反射并能畫出相應(yīng)的光路圖。4．了解全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維。〖知識梳理〗知識點一全反射導(dǎo)學(xué)1：圖甲中荷葉上晶瑩透亮的小水珠、圖乙中水里的小氣泡、圖丙中玻璃玩具里的小氣泡看上去格外明亮，請思考上述情境是什么原因造成的？1．光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)：對于折射率不同的兩種介質(zhì)，我們把折射率較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對的。2．全反射：當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，同時發(fā)生折射和反射，當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。3．全反射的發(fā)生條件(1)光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。(2)入射角大于或等于臨界角。4．臨界角C與折射率n的關(guān)系：sinC＝eq\a\vs4\al(\f(1,n))。知識點二全反射棱鏡與光導(dǎo)纖維導(dǎo)學(xué)2：圖1中的全反射棱鏡、圖2中的光導(dǎo)纖維都應(yīng)用了光的全反射原理，其構(gòu)造有什么特點？1．全反射棱鏡(1)形狀：截面為等腰直角三角形的棱鏡。(2)光學(xué)特征①當光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時，光在截面的斜邊上發(fā)生全反射，光射出棱鏡時，傳播方向改變了90°。②當光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時，在兩個直角邊上各發(fā)生一次全反射，使光的傳播方向改變了180°。(3)應(yīng)用：用于雙筒望遠鏡中。2．光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用(1)原理：利用了光的全反射。(2)構(gòu)造：光導(dǎo)纖維是非常細的特制玻璃絲，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)應(yīng)用①醫(yī)學(xué)上用光纖制成內(nèi)窺鏡。②用于光纖通信，其特點是傳輸容量大、能量衰減小、抗干擾性及保密性強等?！颊n堂探究〗一、對全反射的理解問題探究1：如圖所示，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個邊與空氣的界面上會發(fā)生反射和折射。逐漸增大入射角，觀察并比較甲、乙、丙三圖中反射光線和折射光線有什么變化？1．對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解光疏介質(zhì)光密介質(zhì)定義折射率相對較小的介質(zhì)折射率相對較大的介質(zhì)傳播速度由n＝eq\f(c,v)得v光密＜v光疏折射特點(1)光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時，折射角小于入射角；(2)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角相對性光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對的，某介質(zhì)相對于甲介質(zhì)是光疏介質(zhì)，而相對于乙介質(zhì)可能是光密介質(zhì)。例如：酒精(n1＝1.36)相對于水晶(n2＝1.55)是光疏介質(zhì)，而相對于水(n3＝1.33)是光密介質(zhì)注意：“光疏”與“光密”是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的，與其密度大小無必然關(guān)系。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)。2．全反射現(xiàn)象的理解(1)全反射的條件(兩個條件同時具備，缺一不可)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)從能量角度看：當光從光密介質(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。例1截面為等腰直角三角形的三棱鏡如圖甲所示。DE為嵌在三棱鏡內(nèi)部緊貼BB′C′C面的線狀單色可見光光源，DE與三棱鏡的ABC面垂直，D位于線段BC的中點。圖乙為圖甲中ABC面的正視圖。三棱鏡對該單色光的折射率為eq\r(2)，只考慮由DE直接射向側(cè)面AA′C′C的光線。下列說法正確的是()A．光從AA′C′C面出射的區(qū)域占該側(cè)面總面積的eq\f(1,3)B．光從AA′C′C面出射的區(qū)域占該側(cè)面總面積的eq\f(2,3)C．若DE發(fā)出的單色光頻率變小，AA′C′C面有光出射的區(qū)域面積將增大D．若DE發(fā)出的單色光頻率變小，AA′C′C面有光出射的區(qū)域面積將減小規(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)進入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)。(2)若由光密介質(zhì)進入空氣，則根據(jù)sinC＝eq\f(1,n)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，進行動態(tài)分析或定量計算。二、全反射的應(yīng)用問題探究2：如圖所示，自行車的尾燈雖然本身不發(fā)光，但在夜間騎行時，從后面開來的汽車發(fā)出的強光照到尾燈后，會有較強的光被反射回去，用以警示后面車上的司機；在夏天晴天高溫下，從車內(nèi)會看到遠處的瀝青路面像是有一灘“水”，而實際上路面是沒有水的。請思考上述現(xiàn)象是什么原理？1．全反射棱鏡：全反射棱鏡利用光的全反射改變光的方向，如圖所示(甲圖中光的方向改變90°，乙圖中光的方向改變180°)，由sinC＝eq\f(1,n)和C≤45°知，n≥eq\r(2)。2．光導(dǎo)纖維：設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當入射光線的入射角為θ1時，進入端面的折射光線傳到側(cè)面時恰好發(fā)生全反射，如圖丙所示。則有sinC＝eq\f(1,n)，n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sinθ1＝eq\r(n2－1)。由圖可知：當θ1增大時，θ2增大，而從纖維射向空氣中的光線的入射角θ減小。當θ1＝90°時，若θ＝C，則所有進入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即有sin90°＝eq\r(n2－1)，解得n＝eq\r(2)。故當光導(dǎo)纖維折射率為eq\r(2)時，就可以使以任意角度入射的光都能發(fā)生全反射。例2一段長為L的直線光導(dǎo)纖維的內(nèi)芯如圖所示，一單色光從左端面射入光纖，已知光纖對該單色光的折射率為n，光在真空中傳播速度大小為c。(1)求該單色光在光纖中傳播的最短時間；(2)已知光纖對該單色光的折射率n＝eq\r(2)，當該單色光以入射角i＝45°從左端面射入，求此單色光從左端面?zhèn)鞑サ接叶嗣嫠玫臅r間。三、光的色散問題1．光的色散現(xiàn)象：一束白光通過三棱鏡后在屏上會形成彩色光帶。2．成因：棱鏡材料對不同色光的折射率不同，對紅光的折射率最小，紅光通過棱鏡后的偏折程度最小，對紫光的折射率最大，紫光通過棱鏡后的偏折程度最大，從而產(chǎn)生色散現(xiàn)象。3．各種色光的比較分析顏色紅橙黃綠青藍紫頻率ν低→高同一介質(zhì)中的折射率小→大同一介質(zhì)中的速度大→小同一介質(zhì)中的波長大→小通過同一棱鏡的偏折角小→大同一介質(zhì)中的臨界角大→小例3如圖所示，從點光源S發(fā)出的一細束白光以一定的角度入射到三棱鏡的表面，經(jīng)過三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏的ab間形成一條彩色光帶。下列說法中錯誤的是()A．a(chǎn)側(cè)是紅光，b側(cè)是紫光B．在真空中a側(cè)光的波長小于b側(cè)光的波長C．三棱鏡對a側(cè)光的折射率大于對b側(cè)光的折射率D．在三棱鏡中a側(cè)光的速率比b側(cè)光小〖課堂達標〗1．已知水、水晶、玻璃的折射率分別為1.33、1.55和1.60，則由此可知()A．水是光疏介質(zhì) B．玻璃為光密介質(zhì)C．水對于水晶或玻璃是光疏介質(zhì) D．水晶對于玻璃是光密介質(zhì)2．在彎曲的情況下光導(dǎo)纖維仍然有效地傳導(dǎo)光，這是利用了()A．光的鏡面反射B．光的全反射C．光的漫反射D．光的折射3．如圖所示，半圓形玻璃磚放在空氣中，三條同一顏色、強度相同的光線，均由空氣沿半圓半徑方向射入玻璃磚，到達玻璃磚的圓心位置。下列說法錯誤的是()A．假若三條光線中只有一條在O點發(fā)生了全反射，那一定是aO光線B．假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線cO一定能發(fā)生全反射C．假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線aO一定能發(fā)生全反射D．假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO的反射光線比光線cO的反射光線的亮度大4.如圖所示，MM′是兩種介質(zhì)的界面，A是入射光線，B是反射光線，C是折射光線，O是入射光線的入射點，NN′是法線，θ1是入射角，θ2是折射角，且θ1>θ2。則下列判斷正確的是()A．θ1逐漸增大時θ2也逐漸增大，有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象B．θ1逐漸減小時θ2也逐漸減小，有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象C．θ1逐漸增大時θ2將逐漸減小，有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象D．θ1逐漸增大時θ2也逐漸增大，但不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖知識梳理〗導(dǎo)學(xué)1：是光的全反射現(xiàn)象。導(dǎo)學(xué)2：全反射棱鏡的截面是等腰直角三棱鏡；光導(dǎo)纖維是非常細的特制玻璃絲，由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大?！颊n堂探究〗問題探究1：(1)圖甲→圖乙：入射角增大，反射角、折射角都增大。(2)圖丙中折射光線消失，發(fā)生了全反射。例1〖答案〗C〖解析〗由全反射臨界角與折射率的關(guān)系sinC＝eq\f(1,n)＝eq\f(1,\r(2))可知，臨界角為45°，即光線垂直BC方向射出在AC面恰好發(fā)生全反射，由幾何知識可知光從AA′C′C面出射的區(qū)域占該側(cè)面總面積的eq\f(1,2)，所以A、B項錯誤；若DE發(fā)出的單色光頻率減小，則折射率n隨之減小，由sinC＝eq\f(1,n)可知，其臨界角增大，所以AA′C′C面有光出射的區(qū)域面積將增大，C項正確，D項錯誤。問題探究2：光的全反射原理。例2〖答案〗(1)eq\f(nL,c)(2)eq\f(2\r(6)L,3c)〖解析〗(1)當光線垂直于左端面射入時，光傳播的路徑最短x＝L①由n＝eq\f(c,v)得光在光纖中傳播速度大小為v＝eq\f(c,n)②光在光纖中傳播的最短時間為t＝eq\f(x,v)③聯(lián)立解得t＝eq\f(nL,c)。④(2)由于n＝eq\f(sini,sinr)，得r＝30°⑤該單色光在光纖中的路程s＝eq\f(L,cosr)＝eq\f(2\r(3),3)L⑥傳播時間t＝eq\f(s,v)⑦由②⑥⑦得t＝eq\f(2\r(6)L,3c)。例3〖答案〗A〖解析〗由題圖可以看出，a側(cè)光偏折得較厲害，三棱鏡對a側(cè)光的折射率較大，所以a側(cè)光是紫光，波長較短，b側(cè)光是紅光，波長較長，A錯誤，B、C正確；又v＝eq\f(c,n)，所以三棱鏡中a側(cè)光的傳播速率小于b側(cè)光的傳播速率，D正確?！颊n堂達標〗1．〖答案〗C〖解析〗光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對而言的，單獨一種物質(zhì)不能說是光疏還是光密介質(zhì)，A、B錯誤；水比水晶或玻璃折射率小，對于水晶或玻璃是光疏介質(zhì)，C正確；水晶比玻璃折射率小，對于玻璃是光疏介質(zhì)，D錯誤。2．〖答案〗B〖解析〗光導(dǎo)纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑只有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，光傳播時在內(nèi)芯與外套的分界面上發(fā)生全反射。3．〖答案〗B〖解析〗三條入射光線沿著指向圓心的方向由空氣射向玻璃磚，在圓周界面，它們的入射角為零，均不會偏折；在直徑界面，光線aO的入射角最大，光線cO的入射角最小，它們都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，都有發(fā)生全反射的可能。如果只有一條光線發(fā)生了全反射，那一定是aO光線，因為它的入射角最大，所以選項A正確。假若光線bO能發(fā)生全反射，說明它的入射角等于或大于臨界角，光線aO的入射角更大，所以，光線aO一定能發(fā)生全反射，光線