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(jì)算有關(guān)問(wèn)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(duì)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(shí),同時(shí)發(fā)生折射和反射。如果入射角逐漸增大,折射光離法線會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn),而且越來(lái)越弱,反射光卻越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達(dá)到90°時(shí),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(shí)的入射角叫作臨界角。知識(shí)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(shí),(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(shí)具備以下兩個(gè)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(gè)表面射入時(shí),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(jī)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(shí)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(hào),實(shí)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(lái)講的,與密度大小無(wú)關(guān)。答案

×(2)光從空氣射入水中時(shí)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(diǎn)。(

)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(hào)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(shí)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(huì)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(huì)感覺(jué)特別明亮。一、對(duì)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(huì)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(huì)感覺(jué)特別明亮。一、對(duì)全反射的理解課堂探究1.對(duì)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(duì)性:光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對(duì)的。任何兩種透明介質(zhì)都可以通過(guò)比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來(lái)判斷誰(shuí)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(lái)說(shuō)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(xiàng)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(shí),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(lái)理解全反射:當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí),隨著入射角增大,折射角也增大。同時(shí)折射光線強(qiáng)度減弱,即折射光線能量減小,反射光線強(qiáng)度增強(qiáng),能量增加,當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí),折射光線強(qiáng)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(shí),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(diǎn)發(fā)出的光,豎直向上從M點(diǎn)射出的光線恰好是出射光線的邊緣,同時(shí)C點(diǎn)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(diǎn),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(cuò)誤;折射率變小,導(dǎo)致臨界角會(huì)增大,這時(shí)M點(diǎn)上方也會(huì)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(cuò)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(diǎn)發(fā)出的光,豎直向上從M點(diǎn)射出的光線恰好是出射光線的邊緣,同時(shí)C點(diǎn)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(diǎn),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(cuò)誤;折射率變小,導(dǎo)致臨界角會(huì)增大,這時(shí)M點(diǎn)上方也會(huì)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(cuò)誤。答案

AC規(guī)律總結(jié)求解全反射問(wèn)題的思路1.求解全反射問(wèn)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(huà)出入射角等于臨界角的“臨界光路”。(4)運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行判斷推理,從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析或定量計(jì)算。2.求光線照射的范圍時(shí),關(guān)鍵是找出邊界光線,剛好能發(fā)生全反射時(shí)的臨界光線就是一條邊界光線。確定邊界光線時(shí),關(guān)鍵是確定光線在什么位置時(shí)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(jiàn)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(jìn)入,在兩層的界面上經(jīng)過(guò)多次全反射,從另一端射出。光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳輸光,光信號(hào)又可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào),進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像以及各種數(shù)字信號(hào)。如果把許多(上萬(wàn)根)光導(dǎo)纖維合成一束,并使兩端的纖維按嚴(yán)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(gè)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(gè)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(huì)沿原來(lái)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(huì)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(huì)發(fā)生全反射,最后沿著與入射時(shí)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(lái)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(hào)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(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時(shí)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(shí)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(shuō)法正確的是(

)A.光纖是由高級(jí)金屬制成的,所以它比普通電線容量大B.光纖是非常細(xì)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(xì)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(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)的D.在實(shí)際應(yīng)用中,光纖必須呈筆直狀態(tài),因?yàn)閺澢墓饫w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(hào)的激光傳播時(shí),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(qiáng)等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,光纖是可以彎曲的,選項(xiàng)C正確。C3.某種介質(zhì)相對(duì)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?yàn)榻橘|(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(huì)發(fā)生全反射,只有反射光線,沒(méi)有折射光線,故選項(xiàng)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?gòu)慕缑姊蛏涑?回到空氣中,如果改變光到達(dá)界面Ⅰ時(shí)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(jìn)入玻璃磚,是由光疏介質(zhì)進(jìn)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(cuò)誤,C正確;在界面Ⅱ上,光由玻璃磚進(jìn)入空氣,是由光密介質(zhì)進(jìn)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(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象,則B錯(cuò)誤,D正確。CD備用工具&資料3.某種介質(zhì)相對(duì)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?yàn)榻橘|(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(huì)發(fā)生全反射,只有反射光線,沒(méi)有折射光線,故選項(xiàng)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(shí)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(duì)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(shí),同時(shí)發(fā)生折射和反射。如果入射角逐漸增大,折射光離法線會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn),而且越來(lái)越弱,反射光卻越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達(dá)到90°時(shí),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(shí)的入射角叫作臨界角。知識(shí)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(shí),(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(shí)具備以下兩個(gè)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