2020-2021學(xué)年高中物理新教材魯科版選擇性必修第一冊學(xué)案：第4章 第3節(jié)　光的全反射 第4節(jié)　光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用 Word版含解析

1、第3節(jié)光的全反射第4節(jié)光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標：1.物理觀念、科學(xué)思維理解全反射現(xiàn)象和臨界角的概念，知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)和發(fā)生全反射的條件2.物理觀念能夠解釋全反射現(xiàn)象，了解全反射棱鏡3.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任掌握光導(dǎo)纖維的工作原理及其重要應(yīng)用一、全反射及其產(chǎn)生條件1全反射光從玻璃射入到空氣中時，折射角大于入射角，當(dāng)入射角增大到一定程度時，折射光線完全消失，全部光都被反射回玻璃內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為全反射現(xiàn)象2臨界角剛好發(fā)生全反射(即折射角等于90°)時的入射角用字母c表示臨界角和折射率的關(guān)系是sin c.3光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)兩種介質(zhì)比較，折射率較小的介質(zhì)叫作光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)叫作光密介

2、質(zhì)4全反射的條件(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)(2)入射角大于等于臨界角二、全反射現(xiàn)象1解釋全反射現(xiàn)象(1)水或玻璃中的氣泡看起來特別亮，是由于光射到氣泡上發(fā)生了全反射(2)在沙漠里，接近地面的熱空氣的折射率比上層空氣的折射率小，從遠處物體射向地面的光線的入射角大于臨界角時，發(fā)生全反射，人們就會看到遠處物體的倒影2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)特性：當(dāng)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°.當(dāng)光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時，在直角邊上各發(fā)生一次全反射，使光的傳播方向改變了180°.三、光導(dǎo)纖維

3、及其應(yīng)用1構(gòu)造把石英玻璃拉成直徑幾微米到幾十微米的細絲，再包上折射率比它小的材料，就制成了光導(dǎo)纖維，簡稱光纖2原理利用了全反射3光纖通信光纖通信中，先將傳送的信息轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖將光信號傳輸?shù)浇邮斩?，接收端再將光信號還原為原信息光纖網(wǎng)是信息社會的重要基石，“光纖到戶”是信息社會的重要標志1思考判斷(正確的打“”，錯誤的打“×”)(1)光從空氣射入水中時可能發(fā)生全反射現(xiàn)象(×)(2)光密介質(zhì)，是指介質(zhì)的折射率大，密度不一定大()(3)魚缸中上升的氣泡亮晶晶的，是由于光射到氣泡上發(fā)生了全反射()(4)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(×)

4、2已知水、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，如果光按以下幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是()a從水晶射入玻璃b從水射入二硫化碳c從玻璃射入水中d從水射入水晶c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，故只有c正確3華裔科學(xué)家高錕獲得2009年諾貝爾物理獎，他被譽為“光纖通訊之父”光纖通訊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)芯中傳播下列關(guān)于光導(dǎo)纖維的說法中正確的是()a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b內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全

5、反射c波長越短的光在光纖中傳播的速度越大d頻率越大的光在光纖中傳播的速度越大a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，a對、b錯；頻率大的光波長短，折射率大，在光纖中傳播速度小，c、d錯全反射光照到兩種介質(zhì)界面處，發(fā)生了如圖所示的現(xiàn)象(1)上面的介質(zhì)與下面的介質(zhì)哪個折射率大？(2)全反射發(fā)生的條件是什么？提示：(1)下面的介質(zhì)折射率大(2)一是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；二是入射角大于等于臨界角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：光的傳播速度折射率光疏介質(zhì)大小光密介質(zhì)小大(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

6、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)2全反射規(guī)律(1)全反射的條件：光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)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【例1】一厚度為h的大平板玻璃水平放置，其下表面貼有一半徑為r的圓形發(fā)光面在玻璃板上表面放置一半徑為r的圓紙片，圓紙片與圓形發(fā)光面的中心在同一豎直線上已知圓紙片恰好能完全遮擋住從圓形發(fā)光面發(fā)出的光線(不考慮反射)，求平板玻璃的折射率思路點撥：(1

7、)由圓紙片恰好完全擋住圓形發(fā)光面的光線可確定臨界角(2)根據(jù)sin c可計算折射率解析根據(jù)全反射定律，圓形發(fā)光面邊緣發(fā)出的光線射到玻璃板上表面時入射角為臨界角(如圖所示)，設(shè)為，且sin .根據(jù)幾何關(guān)系得：sin 而lrr聯(lián)立以上各式，解得n.答案全反射定律的應(yīng)用技巧(1)首先判斷是否為光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，如果是，下一步就要再利用入射角和臨界角的關(guān)系進一步判斷，如果不是則直接應(yīng)用折射定律解題即可(2)分析光的全反射時，根據(jù)臨界條件找出臨界狀態(tài)是解決這類題目的關(guān)鍵(3)當(dāng)發(fā)生全反射時，仍遵循光的反射定律和光路可逆性(4)認真規(guī)范作出光路圖，是正確求解這類題目的重要保證訓(xùn)練角度1全反射現(xiàn)象的

8、理解1(多選)一束光從某介質(zhì)進入真空，方向如圖所示，則下列判斷中正確的是()a該介質(zhì)的折射率是b該介質(zhì)的折射率是c該介質(zhì)相對真空發(fā)生全反射的臨界角小于45 °d光線按如圖所示的方向入射，無論怎樣改變?nèi)肷浞较蚨疾豢赡馨l(fā)生全反射現(xiàn)象bc上面是介質(zhì)，下面是真空，入射角i30°，折射角r60°，則折射率n，故選項a錯誤，b正確；sin c，則c45°，故選項c正確；光線按如圖所示的方向入射，當(dāng)入射角大于臨界角時，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象，故選項d錯誤訓(xùn)練角度2全反射與折射定律的綜合2如圖所示，半圓形透明介質(zhì)的橫截面，其半徑為r.一束光從半圓形透明介質(zhì)的左邊緣以入射角6

9、0°射入透明介質(zhì)，光束在半圓形透明介質(zhì)的弧形面發(fā)生兩次反射后剛好從半圓形透明介質(zhì)的另一邊緣射出已知光在真空中傳播的速度為c.求：(1)半圓形透明介質(zhì)的折射率；(2)光線在半圓形透明介質(zhì)中傳播的時間；(3)半圓形透明介質(zhì)的全反射臨界角解析(1)由圖中幾何關(guān)系可知，光束折射角r30°，由折射定律，玻璃磚的折射率n.(2)光線在半圓形透明介質(zhì)中傳播的速度v.光線在半圓形透明介質(zhì)中傳播的距離l3r光線在半圓形透明介質(zhì)中傳播的時間t.(3)由sin c得carcsin.答案(1)(2)(3)arcsin光導(dǎo)纖維的應(yīng)用如圖所示是光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)芯和外套由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)

10、構(gòu)成，內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高請問：在制作光導(dǎo)纖維時，選用的材料為什么要求內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高？提示：光只有滿足從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，才會發(fā)生全反射而光導(dǎo)纖維要傳播加載了信息的光，需要所有光在內(nèi)芯中經(jīng)過若干次反射后，全部到達目的地，所以需要發(fā)生全反射，故內(nèi)芯對光的折射率必須要比外套對光的折射率高1構(gòu)造及傳播原理：(1)構(gòu)造：光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1100 m，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(2)傳播原理：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)纖維可以遠距離傳播光，光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信

11、號，進而變?yōu)槁曇?、圖像2光導(dǎo)纖維的折射率：設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射角為1時，進入端面的折射光線傳到側(cè)面時恰好發(fā)生全反射，如圖所示，則有：sin c，n，c290°，由以上各式可得：sin 1.由圖可知：當(dāng)1增大時，2增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角減小，當(dāng)190°時，若c，則所有進入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即解得n，以上是光從纖維射向真空時得到的折射率，由于光導(dǎo)纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比大些【例2】如圖所示，一根長為l5.0 m的光導(dǎo)纖維用折射率n的材料制成一束激光由其左端的中心點以45°的入射角射入光導(dǎo)纖維內(nèi)，經(jīng)過一

12、系列全反射后從右端射出來，求：(1)該激光在光導(dǎo)纖維中的速度v是多大(2)該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)歷的時間是多少思路點撥：(1)由光導(dǎo)纖維的折射率可計算臨界角(2)光在光導(dǎo)纖維側(cè)面上發(fā)生全反射現(xiàn)象，計算出光的總路程，根據(jù)光速可求出傳播時間解析(1)由n可得v2.1×108 m/s.(2)由n可得光線從左端面射入后的折射角為30°，射到側(cè)面時的入射角為60°，大于臨界角45°，因此發(fā)生全反射同理光線每次在側(cè)面都將發(fā)生全反射，直到光線到達右端面由幾何關(guān)系可以求出光線在光導(dǎo)纖維中通過的總路程s，因此該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)歷的時間t2.7×108

13、s.答案(1)2.1×108 m/s(2)2.7×108s光導(dǎo)纖維問題的解題關(guān)鍵第一步抓關(guān)鍵點關(guān)鍵點獲取信息光導(dǎo)纖維工作原理：全反射光束不會側(cè)漏光束在側(cè)壁發(fā)生全反射第二步找突破口“從一個端面射入，從另一個端面射出”，根據(jù)這句話畫出入射、折射及全反射的光路圖，根據(jù)全反射的知識求解問題3光纖通信是一種現(xiàn)代化的通信手段，它可以為客戶提供大容量、高速度、高質(zhì)量的通信服務(wù)，為了研究問題方便，我們將光導(dǎo)纖維簡化為一根長直玻璃管，如圖所示設(shè)此玻璃管長為l，折射率為n.已知從玻璃管左端面射入玻璃內(nèi)的光線在玻璃管的側(cè)面上恰好能發(fā)生全反射，最后從玻璃管的右端面射出設(shè)光在真空中的傳播速度為c，則

14、光通過此段玻璃管所需的時間為()a.b.c. d.a用c表示臨界角，則有sin c，則光在玻璃管中的傳播速度為v.光在沿玻璃管軸線的方向上做勻速傳播所用時間為t.故a正確1物理觀念：全反射現(xiàn)象、臨界角2科學(xué)思維：全反射規(guī)律3科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：光纖通信.1(多選)下列事例哪些應(yīng)用了光的全反射現(xiàn)象()a海市蜃樓b用三棱鏡觀察太陽光譜c某些光學(xué)儀器中用等腰直角玻璃三棱鏡改變光路90°d水中的魚看起來比實際的要淺ac海市蜃樓和光學(xué)儀器中用等腰直角玻璃三棱鏡改變光路90°是利用了光的全反射現(xiàn)象，故a、c項正確；用三棱鏡觀察太陽光譜和水中的魚看起來比實際的要淺，都是光的折射現(xiàn)象，故b、d

15、項錯誤2(多選)下列說法中正確的是()a因為水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介質(zhì)b因為水的折射率小于酒精的折射率，所以水對酒精來說是光疏介質(zhì)c同一束光，在光密介質(zhì)中的傳播速度較大d光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)相對于折射率來確定，與密度無關(guān)bd光在各種介質(zhì)中的傳播速度和介質(zhì)相對真空的折射率都是不同的兩種介質(zhì)相比較光在其中傳播速度大，而折射率小的介質(zhì)叫光疏介質(zhì)；光在其中傳播速度小，而折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)與密度無關(guān)，a、c錯誤，b、d正確3(多選)光纖通信是一種現(xiàn)代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高質(zhì)量的通信服務(wù)目前，我國正在大力建設(shè)高質(zhì)量的寬帶光纖通信網(wǎng)絡(luò)下列說法正確的是()a光纖通信利用光作為載體來傳遞信息b光導(dǎo)纖維傳遞光信號是利用光沿直線傳播的原理c光導(dǎo)纖維傳遞光信號是利用光的色散原理d目前廣泛應(yīng)用的光導(dǎo)纖維是一種非常細的特制玻璃絲ad光纖是利用光的全反射現(xiàn)象而實現(xiàn)光作為載體的信息傳遞，光纖是內(nèi)芯折射率大于外層表皮折射率的很細的玻璃絲故a、d正確，b、c錯誤4.如圖所示，口徑較大、充滿水的薄壁圓柱形淺玻璃缸底有一發(fā)光小球，則()a小球必須位于缸底中心才能從側(cè)面看到小球b小球所發(fā)的光能從水面任何區(qū)域射出c小球所發(fā)的光從水中進入空氣后頻率變大d小球所發(fā)的光從水中進入空氣后傳播速度變大d小球發(fā)出的光先從水中傳播，然后再射入空氣中，故我們從