物理教科版選修3-4課件第四章3

第四章

3

光的全反射學(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.內(nèi)容索引知識(shí)探究題型探究達(dá)標(biāo)檢測(cè)知識(shí)探究一、全反射現(xiàn)象及條件如圖1，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上.逐漸增大入射角，觀察反射光線和折射光線的變化.導(dǎo)學(xué)探究圖1答案答案

逐漸增大入射角，會(huì)看到折射光線離法線越來(lái)越遠(yuǎn)，折射角逐漸增大，折射光線越來(lái)越弱，反射光線越來(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)，折射光線完全消失，只剩下反射光線.入射側(cè)介質(zhì)的折射率較大，折射側(cè)介質(zhì)的折射率較小.(1)在入射角逐漸增大時(shí)，折射角的大小如何變化？(2)在入射角逐漸增大時(shí)，反射光線和折射光線的亮度如何變化？(3)折射界面兩側(cè)的介質(zhì)的折射率有何不同？1.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)(1)對(duì)于兩種介質(zhì)來(lái)說(shuō)，光在其中傳播速度較小的介質(zhì)，即折射率

的介質(zhì)叫

介質(zhì)；光在其中傳播速度較大的介質(zhì)，即折射率較小的介質(zhì)叫

介質(zhì).(2)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對(duì)的.2.全反射(1)定義：光從

介質(zhì)射到

介質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象.知識(shí)梳理光密光疏光密光疏較大(2)全反射的條件①光需從

介質(zhì)射至

介質(zhì)的界面上.②入射角必須等于或

臨界角.(3)臨界角①定義：光從某種介質(zhì)射向真空或空氣時(shí)使折射角變?yōu)?0°時(shí)的

，稱作這種介質(zhì)的臨界角.②臨界角C與折射率n的關(guān)系：sinC＝

.大于入射角光密光疏判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)光發(fā)生全反射時(shí)，折射光線消失，只剩下反射光線.()(2)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，只要入射角足夠大就一定會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象.()(3)折射率大的介質(zhì)就是光密介質(zhì).()(4)光由介質(zhì)進(jìn)入空氣，介質(zhì)的折射率越大，臨界角越小.()(5)光發(fā)生全反射時(shí)，依然遵守反射定律.()即學(xué)即用××√√√答案

內(nèi)芯的折射率大.因?yàn)楫?dāng)內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率時(shí)，光在傳播時(shí)能發(fā)生全反射，光線經(jīng)過(guò)多次全反射后能從一端傳到另一端.二、全反射的應(yīng)用——光導(dǎo)纖維如圖2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)構(gòu)成.構(gòu)成內(nèi)芯和外套的兩種介質(zhì)，哪個(gè)折射率大？為什么？答案導(dǎo)學(xué)探究圖2知識(shí)梳理1.光纖的工作原理：由于有機(jī)玻璃的折射率

空氣的折射率，當(dāng)光從有機(jī)玻璃棒的一端射入時(shí)，可以沿著有機(jī)玻璃棒的表面發(fā)生多次

，從另一端射出.2.光導(dǎo)纖維的構(gòu)造：由兩種折射率不同的玻璃制成，分內(nèi)、外兩層，內(nèi)層玻璃的折射率比外層玻璃的折射率

.當(dāng)光從一端進(jìn)入光纖時(shí)，將會(huì)在兩層玻璃的界面上發(fā)生

.3.光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)是容量

、衰減

、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高.4.應(yīng)用：光纖通信；醫(yī)學(xué)上的

.大于全反射大全反射小內(nèi)窺鏡大判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)光纖通信是利用光作為載體來(lái)傳遞信息.()(2)光導(dǎo)纖維傳遞光信號(hào)是利用光的全反射原理.()(3)光在光導(dǎo)纖維中的傳播的速度小于光在真空中的光速c

.()(4)光導(dǎo)纖維內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光傳播時(shí)在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射.()即學(xué)即用√√√√題型探究一、對(duì)全反射的理解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)是相對(duì)而言的，并沒有絕對(duì)的意義.(2)光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中傳播速度小.(3)光若從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角.(4)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.2.全反射(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)，光全部反射回原介質(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.A.假若三條光線中只有一條在O點(diǎn)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

線的亮度大例1

(多選)如圖3所示，半圓形玻璃磚放在空氣中，三條同一顏色、強(qiáng)度相同的光線，均由空氣沿半圓半徑方向射入玻璃磚，到達(dá)玻璃磚的圓心位置.下列說(shuō)法正確的是√解析答案√√圖3解析三條光線沿著指向圓心的方向由空氣射向玻璃磚，在玻璃磚界面，它們的入射角為零，均不會(huì)偏折.在玻璃磚直徑界面，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?yàn)樗娜肷浣亲畲?，所以選項(xiàng)A對(duì).假若光線bO能發(fā)生全反射，說(shuō)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cO的入射角可能大于或等于臨界角，也可能小于臨界角，因此，光線cO不一定能發(fā)生全反射.所以選項(xiàng)B錯(cuò)，C對(duì).假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO和光線cO都不能發(fā)生全反射，但光線bO的入射角更接近于臨界角，所以，光線bO的反射光線較光線cO的反射光線強(qiáng)，即光線bO的反射光線亮度較大，所以D對(duì).針對(duì)訓(xùn)練某種介質(zhì)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°，則下列光路圖中正確的是(圖中Ⅰ為空氣，Ⅱ?yàn)榻橘|(zhì))解析答案解析由題意知，光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，由

，得C＝45°＜θ1＝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，沒有折射光線，故選項(xiàng)D正確.√例2光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播，以下關(guān)于光導(dǎo)纖維的說(shuō)法正確的是A.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B.內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射C.內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生折射D.內(nèi)芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護(hù)作用解析答案二、全反射的應(yīng)用——光導(dǎo)纖維圖4解析光導(dǎo)纖維內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光在由內(nèi)芯射向外套時(shí)，在其界面處發(fā)生全反射，從而使光在內(nèi)芯中傳播，A對(duì).√應(yīng)用全反射解決實(shí)際問題的基本方法：(1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是從光密介質(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)時(shí)，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，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”.(4)運(yùn)用幾何關(guān)系(如三角函數(shù)、反射定律等)進(jìn)行判斷推理，運(yùn)算及變換.三、全反射的定量計(jì)算例3

如圖5所示為一圓柱中空玻璃管，管內(nèi)徑為R1，外徑為R2，R2＝2R1.一束光線在圓柱橫截面內(nèi)射向玻璃管，為保證在內(nèi)壁處光不會(huì)進(jìn)入中空部分，問入射角i應(yīng)滿足什么條件？解析答案圖5答案

i≥30°解析光路圖如圖，設(shè)第一次折射的折射角為r，全反射臨界角為C，折射率為n，由折射定律有

，

；在圖示三角形中，由數(shù)學(xué)知識(shí)可得：

.綜上解得：i＝30°，所以為保證在內(nèi)壁處光不會(huì)進(jìn)入中空部分，入射角i應(yīng)滿足i≥30°.達(dá)標(biāo)檢測(cè)1.關(guān)于光導(dǎo)纖維的說(shuō)法正確的是A.光導(dǎo)纖維是由高級(jí)金屬制成的，所以它比普通電線容量大B.光導(dǎo)纖維是非常細(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.光導(dǎo)纖維是非常細(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，光導(dǎo)纖維必須呈筆直狀態(tài)，因?yàn)閺澢墓饫w是不能導(dǎo)

光的解析答案√1234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.12342.如圖所示，一束光由空氣射向半圓柱體玻璃磚，O點(diǎn)為該玻璃磚截面的圓心，下圖能正確描述其光路的是答案1234解析√解析

光從玻璃磚射向空氣時(shí)，如果入射角大于臨界角，則發(fā)生全反射；如果入射角小于臨界角，則在界面處既有反射光線，又有折射光線，但折射角應(yīng)大于入射角，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)C錯(cuò)誤.當(dāng)光從空氣射入玻璃磚時(shí)，在界面處既有反射光線，又有折射光線，且入射角大于折射角，選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤.1234答案解析12343.如圖6所示，AB為光導(dǎo)纖維，A、B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)纖維與空氣的界面上恰好發(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.(已知光在真空中的傳播速度為c)圖6答案

1234解析

設(shè)介質(zhì)的折射率為n，則有

4.用某種透明材料制成的一塊柱體形棱鏡的水平截面圖如圖7所示，圓心為O，F(xiàn)D為圓周.光線以入射角θ1＝60°射到棱鏡AB面，經(jīng)折射后，光線到達(dá)BF面上的O點(diǎn)并恰好不從BF面射出.(1)畫出光路圖；1234圖7答案解析答案

見解析圖解析

光路圖如圖所示1234答案解析答案

(2)求該棱鏡的折射率n和光線在棱鏡中傳播的速度