新教材2025版高中物理第四章光3.全反射學生用書新人教版選擇性必修第一冊

3．全反射新課程標準核心素養(yǎng)目標1.知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件2．初步了解光纖的工作原理、光纖技術在生產(chǎn)生活中的應用物理觀念知道光疏介質、光密介質、全反射、臨界角的概念科學思維理解全反射的條件，能計算有關問題和說明相關現(xiàn)象科學看法與責任了解全反射棱鏡和光導纖維的工作原理以及在生產(chǎn)生活中的應用必備學問·自主學習——突出基礎性素養(yǎng)夯基一、全反射1.光疏介質和光密介質(1)光疏介質：折射率________的介質稱為光疏介質．(2)光密介質：折射率________的介質稱為光密介質．2．全反射(1)全反射及臨界角的概念：①全反射：當光從光密介質射入光疏介質時，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________時，折射光________，只剩下反射光的現(xiàn)象．②臨界角：剛發(fā)生全反射(即折射角等于____________)時的____________，用字母C表示．(2)全反射的條件：①光由________介質射入________介質．②入射角________或________臨界角．(3)臨界角與折射率的關系：①定量關系：光由某種介質射入空氣(真空)時，sinC＝________.②定性關系：介質的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角____________，越簡單發(fā)生全反射．二、全反射棱鏡1．形態(tài)：截面為________三角形的棱鏡．2．對光路的限制

三、光導纖維1．導光的原理：當光在有機玻璃棒內(nèi)傳播時，假如從有機玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光會發(fā)生________，于是光在有機玻璃棒內(nèi)沿著鋸齒形路途傳播．2．組成：________和外套．3．主要優(yōu)點：________容量大、衰減小、抗干擾性及保密性強等．【思索辨析】推斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“×”．(1)光密介質是指密度大的介質．()(2)光由光疏介質射入光密介質后速度減小．()(3)光由光疏介質射入光密介質時才可能發(fā)生全反射．()(4)臨界角與折射率成反比．()提升：關鍵實力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究點一全反射探究總結1.全反射的條件要發(fā)生全反射，必需同時具備兩個條件：(1)光從光密介質射入光疏介質．(2)入射角等于或大于臨界角．2．臨界角與折射率的關系(1)定量關系：光由介質射入空氣(或真空)時，sinC＝1n(2)定性關系：光從光密介質射入光疏介質，光密介質的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角就越小，越簡單發(fā)生全反射．3．因為介質的折射率與光的顏色有關，所以臨界角不僅與介質有關，還與光的顏色有關．典例示范例1[全反射現(xiàn)象的理解與推斷]一束光線穿過介質1、2、3時，光路如圖所示，則下列說法正確的是()A．介質1的折射率最大B．介質2是光密介質C．光在介質2中的速度最大D．當入射角由45°漸漸增大時，在2、3分界面上可能發(fā)生全反射課堂筆記例2[運用全反射計算折射率]如圖為一半徑為R的透亮半球體過球心O的橫截面，橫截面上P點到直徑MN間的垂直距離為d＝22R.一細光束沿PO方向從P點入射，經(jīng)過面MON恰好發(fā)生全反射．若此光束沿平行MN方向從P點入射，從圓上Q點射出，光在真空中的傳播速度為c(1)透亮半球體的折射率n；(2)沿MN方向從P點入射的光在透亮半球體中的傳播時間t.思維方法解決全反射問題的思路(1)確定光是由光疏介質進入光密介質還是由光密介質進入光疏介質．(2)若光由光密介質進入光疏介質，則依據(jù)sinC＝1n(3)依據(jù)題設條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路圖”．(4)運用幾何關系、三角函數(shù)關系、反射定律等進行推斷推理、運算及變換進行動態(tài)分析或定量計算．針對訓練1為了表演《隱形的大頭針》節(jié)目，某同學在半徑為r的圓形軟木片中間垂直插入一枚大頭針，并將其放入盛有水的碗中，如圖所示．已知水的折射率為43，為了保證表演勝利即在水面上看不到大頭針，大頭針末端離水面的最大距離hA．73rB．4C．34rD．3針對訓練2[2024·河北卷，節(jié)選]將兩塊半徑均為R、完全相同的透亮半圓柱體A、B正對放置，圓心上下錯開肯定距離，如圖所示．用一束單色光沿半徑照耀半圓柱體A，設圓心處入射角為θ.當θ＝60°時，A右側恰好無光線射出；當θ＝30°時，有光線沿B的半徑射出；射出位置與A的圓心相比下移h.不考慮多次反射．求：(1)半圓柱體對該單色光的折射率；(2)兩個半圓柱體之間的距離d.探究點二全反射的應用探究總結1.全反射棱鏡橫截面是等腰直角三角形的棱鏡是全反射棱鏡．它在光學儀器里，常用來代替平面鏡，變更光的傳播方向．光通過全反射棱鏡時的幾種方式：入射方式方式一方式二方式三光路圖入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光線方向變更角度90°180°0°(發(fā)生側移)2.光導纖維：用光密介質(相對外套)制成的用來傳導光信號的纖維狀的裝置．(1)光纖原理：“光纖通信”利用了全反射原理．實際用的光導纖維是特別細的特制玻璃絲，肯定程度上可以彎折，直徑只有幾微米到一百微米之間，由內(nèi)芯和外套組成．如圖所示，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，使反射光的能量最強，實現(xiàn)遠距離傳送．(2)光纖的應用：攜帶著數(shù)碼信息、電視圖像、聲音等的光信號沿著光纖傳輸?shù)胶苓h的地方，實現(xiàn)光纖通信．典例示范例3由于激光是亮度高、平行度好、單色性好的相干光，所以光導纖維中用激光作為高速傳輸信息的載體．要使射到粗細勻稱的圓形光導纖維一個端面上的激光束都能從另一個端面射出，而不會從側壁“泄漏”出來，光導纖維所用材料的折射率至少應為多少？(假設光纖外套折射率與空氣相同)例4空氣中兩條光線a和b從方框左側入射，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)有兩個折射率為n＝1.5的全反射玻璃棱鏡．下列選項中給出了兩個棱鏡的四種放置方式的示意圖，其中能滿意題意的是()課堂筆記針對訓練3[2024·上海復興中學階段測試](多選)如圖所示，夏天，在安靜無風的海面上，向遠方望去，有時能看到山峰、船舶、集市、廟宇等出現(xiàn)在空中，沙漠里有時也會看到遠處的水源、仙人掌近在咫尺，這就是“蜃景”．下列有關“蜃景”的說法中正確的是()A.海面上上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小B．沙面上上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小C．A是“蜃景”，B是景物D．C是“蜃景”，D是景物針對訓練4光導纖維是利用光傳播時在其內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射來傳輸光信號的．如圖所示，一根長為L的直光導纖維，它的折射率為n，一束激光從它的左側端面射入，又從它的右側端面射出，調(diào)整激光束的入射方向，可測得激光束在直光導纖維中經(jīng)驗的最短時間為t1，最長時間為t2，求t1與t2之比．課堂檢測·素養(yǎng)提升——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達標1．假如把光導纖維聚成束，使纖維在兩端排列的相對位置一樣，圖像就可以從一端傳到另一端，如圖所示．在醫(yī)學上，光導纖維可以制成內(nèi)窺鏡，用來檢查人體胃、腸、氣管等器官的內(nèi)部．內(nèi)窺鏡有兩組光導纖維，一組用來把光輸送到人體內(nèi)部，另一組用來進行視察．光在光導纖維中的傳輸利用了()A．光的全反射B．光的衍射C．光的干涉D．光的折射2．如圖所示是一個用折射率n＝2.4的透亮介質做成的四棱鏡的截面圖．其中∠A＝∠C＝90°，∠B＝60°.現(xiàn)有一條光從圖中所示的位置垂直入射到棱鏡的AB面，A、B、C、D四個圖中完整表示光行進的過程是()3．(多選)如圖所示，一束光射向半圓形玻璃磚的圓心O，經(jīng)折射后分為兩束單色光a和b.下列推斷正確的是()A．玻璃磚對a光的折射率小于對b光的折射率B．在玻璃磚中，a光的波長大于b光的波長C．在玻璃磚中，a光的傳播速度大于b光的傳播速度D.漸漸增大入射角，a光將比b光先發(fā)生全反射4．如圖甲所示，為探討一半圓柱體透亮新材料的光學性質，用激光由真空沿半圓柱體的徑向射入，入射光線與法線成θ角，由光學傳感器CD可以探測反射光的強度．試驗獲得從AB面反射回來的反射光的強度隨θ角變更的狀況如圖乙所示．光在真空中傳播速度為c，則該激光在這種透亮新材料中()A．折射率為3B．傳播速度為32C．θ＝0°時，反射光強度為0D．反射光的強度隨θ角的增大而增大5.如圖所示，一長方體透亮玻璃磚在底部挖去半徑為R的半圓柱，玻璃磚長為L.一束單色光垂直于玻璃磚上表面射入玻璃磚，且覆蓋玻璃磚整個上表面，已知玻璃磚對該單色光的折射率為n＝2，真空中的光速c＝3.0×108m/s，求：(1)單色光在玻璃磚中的傳播速度；(2)半圓柱面上有光射出的表面積．3．全反射必備學問·自主學習一、1．(1)較小(2)較大2．(1)90°完全消逝90°入射角(2)光密光疏等于大于(3)1n二、1．等腰直角三、1．全反射2．內(nèi)芯3．光纖傳輸思索辨析答案：(1)×(2)√(3)×(4)×關鍵實力·合作探究探究點一【例1】【解析】A錯：由題圖可知，光從介質1射入介質2中折射角大于入射角，則n1>n2.光從介質2射入介質3中折射角小于入射角，則n2<n3.光從2射向1或從2射向3時，若入射角相等，從折射角上可推斷n3>n1，所以有n3>n1>n2，即介質3的折射率最大．B錯：由對A的分析可知，2相對1和3是光疏介質．C對：依據(jù)公式v＝cnD錯：當入射角由45°漸漸增大時，光從2到3是從光疏介質到光密介質，在此界面上不會發(fā)生全反射．【答案】C【例2】【解析】(1)設透亮半球體的臨界角為C，光路如圖所示：則由幾何關系有：sin(90°－C)＝dR又有：sinC＝1n解得：C＝45°，n＝2.(2)光在P點的入射角i＝90°－θ＝45°，設對應的折射角為r，則sinisinr解得：r＝30°.光在透亮半球體中的傳播距離L＝2Rcosr，光在透亮半球體中的傳播時間t＝Lv光在透亮半球體中的傳播速度v＝cn聯(lián)立解得：t＝6Rc【答案】(1)2(2)6R針對訓練1解析：大頭針末端射到軟木片邊緣的光線恰好發(fā)生全反射時，在水面上看不到大頭針，且大頭針末端離水面的距離最大，此時sinC＝rr2+h2，又sinC＝1n答案：A針對訓練2解析：(1)當θ＝60°時，A右側恰好無光線射出，即剛好發(fā)生全反射，故臨界角C＝60°由臨界角公式可知sinC＝1解得n＝1sinC＝1sin(2)如圖所示，當θ＝30°時，光線由A右側射出的折射角為r，則由折射定律有n＝sin解得sinr＝33，由光路可逆可知，光線進入玻璃磚B的折射角仍為30°，所以出射點到半圓柱體Bh1＝Rsin30°＝R所以兩半圓柱體圓心錯開的距離為h2＝h－h(huán)1＝h－R由幾何關系有sinr＝h解得d＝2(h－R2答案：(1)233(2)2(h－探究點二【例3】【解析】設激光束在光導纖維前端的入射角為θ1，折射角為θ2，折射光線射向側面時的入射角為θ3，如圖所示．折射定律n＝sin由幾何關系θ2＋θ3＝90°，則sinθ2＝cosθ3由全反射臨界角公式sinθ3＝1n，故cosθ3＝要保證從端面射入的任何光線都能發(fā)生全反射，應有θ1＝90°，sinθ1＝1，故n＝sinθ1sinθ2＝sinθ1cosθ【答案】2【例4】【解析】四個選項產(chǎn)生的光路效果如圖所示．【答案】B針對訓練3解析：沙漠里下層空氣溫度比上層高，故沙漠地表旁邊的空氣折射率從下到上漸漸增大，遠處的景物發(fā)出的光線射向沙漠地表時，由于不斷被折射，越來越偏離法線方向，進入下層的入射角不斷增大，以致發(fā)生全反射，光線反射回空氣，人們逆著光線看去，就會看到倒立的景物，從而產(chǎn)生了沙漠“蜃景”現(xiàn)象．海面上的上層空氣的溫度比下層空氣的溫度高，故海面上的上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小，近處的景物反射的光線射向空中時，不斷被折射，射向折射率較小的上一層的入射角增大到臨界角時，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象，光線就會從高空的空氣層返回折射率較大的下一層，從而產(chǎn)生“蜃景”現(xiàn)象．故A、C、D正確，B錯誤．答案：ACD針對訓練4解析：激光束垂直左側端面射入時，激光束在直光導纖維中經(jīng)驗的時間最短，由t1＝Lv及n＝cv，解得t1＝要使激光束在直光導纖維內(nèi)經(jīng)驗的時間最長，就要求激光束在直光導纖維內(nèi)的路程最長，這就要求每一次反射時，入射角θ最小，即入射角θ恰為臨界角C.當θ＝C時，激光束的路程最長，所用時間也最長，此時激光束在沿直光導纖維方向的速度重量為vsinθ，設光速為c，由L＝(vsinC)t2及n＝cv、sinC＝1n，解得t2＝n2Lc答案：1課堂檢測·素養(yǎng)提升1．解析：光在光導纖維中傳播時，其入射角大于或等于臨界角，光線只能在光導纖維中傳播折射不出去，是利用了光的全反射，A正確．答案：A2．解析：光從左側垂直射向