新教材2025版高中物理第四章光3.全反射學(xué)生用書新人教版選擇性必修第一冊

3．全反射新課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)目標(biāo)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(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用物理觀念知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念科學(xué)思維理解全反射的條件，能計算有關(guān)問題和說明相關(guān)現(xiàn)象科學(xué)看法與責(zé)任了解全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維的工作原理以及在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用必備學(xué)問·自主學(xué)習(xí)——突出基礎(chǔ)性素養(yǎng)夯基一、全反射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(1)全反射及臨界角的概念：①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．當(dāng)入射角增大到某一角度，使折射角達(dá)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(zhì)射入________介質(zhì)．②入射角________或________臨界角．(3)臨界角與折射率的關(guān)系：①定量關(guān)系：光由某種介質(zhì)射入空氣(真空)時，sinC＝________.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(dǎo)纖維1．導(dǎo)光的原理：當(dāng)光在有機(jī)玻璃棒內(nèi)傳播時，假如從有機(jī)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(jī)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(qiáng)等．【思索辨析】推斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“×”．(1)光密介質(zhì)是指密度大的介質(zhì)．()(2)光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)后速度減?。?)(3)光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時才可能發(fā)生全反射．()(4)臨界角與折射率成反比．()提升：關(guān)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(jié)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(zhì)射入光疏介質(zhì)．(2)入射角等于或大于臨界角．2．臨界角與折射率的關(guān)系(1)定量關(guān)系：光由介質(zhì)射入空氣(或真空)時，sinC＝1n(2)定性關(guān)系：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)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(zhì)的折射率與光的顏色有關(guān)，所以臨界角不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與光的顏色有關(guān)．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(zhì)1、2、3時，光路如圖所示，則下列說法正確的是()A．介質(zhì)1的折射率最大B．介質(zhì)2是光密介質(zhì)C．光在介質(zhì)2中的速度最大D．當(dāng)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(xì)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(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)若光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，則依據(jù)sinC＝1n(3)依據(jù)題設(shè)條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路圖”．(4)運用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行推斷推理、運算及變換進(jìn)行動態(tài)分析或定量計算．針對訓(xùn)練1為了表演《隱形的大頭針》節(jié)目，某同學(xué)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(xùn)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(shè)圓心處入射角為θ.當(dāng)θ＝60°時，A右側(cè)恰好無光線射出；當(dāng)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(yīng)用探究總結(jié)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(xué)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(cè)移)2.光導(dǎo)纖維：用光密介質(zhì)(相對外套)制成的用來傳導(dǎo)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(dǎo)纖維是特別細(xì)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(qiáng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送．(2)光纖的應(yīng)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(yuǎn)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(dǎo)纖維中用激光作為高速傳輸信息的載體．要使射到粗細(xì)勻稱的圓形光導(dǎo)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(cè)壁“泄漏”出來，光導(dǎo)纖維所用材料的折射率至少應(yīng)為多少？(假設(shè)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(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(xùn)練3[2024·上海復(fù)興中學(xué)階段測試](多選)如圖所示，夏天，在安靜無風(fēng)的海面上，向遠(yuǎn)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(yuǎn)處的水源、仙人掌近在咫尺，這就是“蜃景”．下列有關(guān)“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(xùn)練4光導(dǎo)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(dǎo)纖維，它的折射率為n，一束激光從它的左側(cè)端面射入，又從它的右側(cè)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(dǎo)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(dá)標(biāo)1．假如把光導(dǎo)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(xué)上，光導(dǎo)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(dǎo)纖維，一組用來把光輸送到人體內(nèi)部，另一組用來進(jìn)行視察．光在光導(dǎo)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(zhì)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(jìn)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(xué)性質(zhì)，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(xué)傳感器CD可以探測反射光的強(qiáng)度．試驗獲得從AB面反射回來的反射光的強(qiáng)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(qiáng)度為0D．反射光的強(qiáng)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(xué)問·自主學(xué)習(xí)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(guān)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(zhì)1射入介質(zhì)2中折射角大于入射角，則n1>n2.光從介質(zhì)2射入介質(zhì)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(zhì)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(zhì)．C對：依據(jù)公式v＝cnD錯：當(dāng)入射角由45°漸漸增大時，光從2到3是從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)，在此界面上不會發(fā)生全反射．【答案】C【例2】【解析】(1)設(shè)透亮半球體的臨界角為C，光路如圖所示：則由幾何關(guān)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(shè)對應(yīng)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(xùn)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(xùn)練2解析：(1)當(dāng)θ＝60°時，A右側(cè)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(dāng)θ＝30°時，光線由A右側(cè)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(jìn)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(guān)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(shè)激光束在光導(dǎo)纖維前端的入射角為θ1，折射角為θ2，折射光線射向側(cè)面時的入射角為θ3，如圖所示．折射定律n＝sin由幾何關(guān)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(yīng)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(xùn)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(yuǎn)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(jìn)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(xùn)練4解析：激光束垂直左側(cè)端面射入時，激光束在直光導(dǎo)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(dǎo)纖維內(nèi)經(jīng)驗的時間最長，就要求激光束在直光導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)纖維方向的速度重量為vsinθ，設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(cè)垂直射向