2020年高中物理 第四章 光4.3 光的全反射现象课件 教科版选修3-4

第三节光的全反射现象目标导航预习导引学习目标1.认识光的全反射现象,以及发生全反射现象的条件。2.初步了解光纤的工作原理重点难点1.理解光的全反射。2.理解临界角的概念,会判断是否发生全反射目标导航预习导引一二一、光的全反射1.全反射:光从光密介质射入光疏介质时,若入射角增大到某一角度,折射光线就会完全消失,只剩下反射光线的现象。2.临界角:刚好发生全反射即折射角等于90°时的入射角,用字母θc表示,则3.全反射的条件要发生全反射,必须同时具备两个条件:(1)光从光密介质射入光疏介质。(2)入射角大于等于临界角。sinθc=1𝑛。目标导航预习导引一二玻璃或水中的气泡为什么看起来格外亮?提示因为光从玻璃或水入射到气泡表面时发生了全反射。目标导航预习导引一二二、光导纤维的结构与应用1.光导纤维对光的传导原理:利用了光的全反射。2.光导纤维的构造:光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径从几微米到一百微米,由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。3.光导纤维的应用——光纤通信光纤通信的主要优点是容量大,此外光纤传输还有衰减小、抗干扰性强等多方面的优点。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一、全反射1.对光疏介质和光密介质的理解(1)光疏介质和光密介质的比较:(2)相对性:光疏介质、光密介质是相对的。任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质。项目光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大一二知识精要思考探究典题例解迁移应用2.全反射现象(1)全反射的条件:①光由光密介质射向光疏介质。②入射角大于或等于临界角。(2)全反射遵循的规律:发生全反射时,光全部返回介质,入射光与反射光遵循光的反射定律,由于不存在折射光线,光的折射定律不再适用。(3)从能量角度来理解全反射:当光从光密介质射入光疏介质时,随着入射角增大,折射角也增大。同时折射光线强度减弱,即折射光线能量减小,反射光线强度增强,能量增加,当入射角达到临界角时,折射光线强度减弱到零,反射光的能量等于入射光的能量。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用3.不同色光的临界角不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时,频率越高的光的临界角越小,越易发生全反射。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用为什么说光疏介质和光密介质是相对的?答案:折射率较小的介质称为光疏介质,折射率大小是相对的,例如水、水晶和金刚石三种物质相比较,水晶对水来说是光密介质,对金刚石来说是光疏介质。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用【例1】如图所示,在厚度为d、折射率为n的大玻璃板的下表面,紧贴着一个半径为r的圆形发光面,为了从玻璃板的上方看不见圆形发光面,可在玻璃板的上表面贴一张圆纸片,求所贴圆纸片的最小面积。思路分析解答本题的关键是弄清所贴圆纸片的最小面积究竟由什么决定,实质是利用全反射知识求介质的临界角。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用解析:如图所示,A为发光面右边缘,若由A发出的光线射向O点恰好发生全反射,入射角θ就是玻璃的临界角,此时在玻璃板的上表面O点外侧不再有折射光线。设B点为A在玻璃板正上方的对应点,那么(r+BO)为玻璃板上表面透光面的半径。由临界角公式知sinθ=1𝑛由几何关系得OB=dtanθ又tanθ=sin𝜃cos𝜃=sin𝜃1-sin2𝜃=1𝑛2-1所以OB=𝑑𝑛2-1一二知识精要思考探究典题例解迁移应用所以圆纸片的最小半径为R=r+𝑑𝑛2-1最小面积为S=π𝑟+𝑑𝑛2-12。答案:S=π𝑟+𝑑𝑛2-12一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一束单色光由左侧射入注满清水的薄壁圆柱形玻璃杯,右图为过轴线的截面图,调整入射角α,使光线恰好在水和空气的界面上发生全反射。已知水的折射率为,求sinα的值。解析:当光线在水面发生全反射时有sinC=1n,当光线从左侧射入时,由折射定律有sinαsin(π2-C)=n,联立这两式,代入数据可得sinα=73。43答案:73一二知识精要典题例解迁移应用二、光导纤维1.构造及传播原理光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径只有1~100μm,如图所示,它是由内芯和外套两层组成,内芯的折射率大于外套的折射率,光由一端进入,在两层的界面上经过多次全反射,从另一端射出,光导纤维可以远距离传播光,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、图象。如果把许多(上万根)光导纤维合成一束,并使两端的纤维按严格相同的次序排列,就可以传播图象。一二知识精要典题例解迁移应用2.光导纤维的折射率设光导纤维的折射率为n,当入射角为θ1时,进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射,如图所示,则有由图可知:当θ1增大时,θ2增大,而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小,当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入纤维中的光线都能发生全反射,即解得n=,以上是光从纤维射向真空时得到的折射率,由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此折射率要比大些。sinC=1𝑛,n=sin𝜃1sin𝜃2,C+θ2=90°,由以上各式可得sinθ1=𝑛2-1。22一二知识精要典题例解迁移应用【例2】如图所示是两个城市间的光缆中的一条光导纤维,光纤长为L,它的玻璃芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2,光在真空中的传播速度为c。光由它的一端射入经多次反射后从另一端射出,则()A.n1n2,光从它的一端射入到从另一端射出所需的时间总等于𝐿𝑐B.n1n2,光从它的一端射入到从另一端射出所需的时间最长为𝑛1𝐿𝑛2𝑐C.n1n2,光从它的一端射入到从另一端射出所需的时间最长为𝑛12𝐿𝑛2𝑐D.n1n2,光从它的一端射入到从另一端射出所需的时间等于𝑛1𝐿𝑐一二知识精要典题例解迁移应用思路分析光纤通信的原理是全反射,根据全反射规律可知n1、n2的大小关系;作出光路图可以求出光通过的路程,再根据光在介质中的传播速度可求出需要的时间。答案:C解析:由于光从内层射向外层时需要发生全反射,所以n1n2。当光在光纤内恰不透出时,所经过的路程最长,如图所示,设临界角为θ,则sinθ=𝑛2𝑛1,此时光通过的总路程为s=𝐿sin𝜃=𝑛1𝐿𝑛2,对应的光速为v=𝑐𝑛1,所需的时间为t=𝑠𝑣=𝑛12𝐿𝑛2𝑐。故选项C正确。一二知识精要典题例解迁移应用一二知识精要典题例解迁移应用如图所示,一根长为L的直光导纤维,它的折射率为n。光从它的一个端面射入,又从另一端面射出所需的最长时间为多少?(设光在真空中的光速为c)答案:𝑛2𝐿𝑐一二知识精要典题例解迁移应用解析:由题中的已知条件可知,要使光线从光导纤维的一端射入,然后从它的另一端全部射出,必须使光线在光导纤维中发生全反射现象。要使光线在光导纤维中经历的时间最长,就必须使光线的路径最长,即光对光导纤维的入射角最小。光导纤维的临界角为C=arcsin1𝑛。光在光导纤维中传播的路程为d=𝐿sin𝐶=nL。光在光导纤维中传播的速度为v=𝑐𝑛。所需最长时间为tmax=𝑑𝑣=𝑛𝐿𝑐𝑛=𝑛2𝐿𝑐。