2019-2020学年高中物理 第十三章 光 第2节 全反射课件 新人教版选修3-4

第2节全反射学习目标素养提炼1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念．2.理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象．3.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用.物理观念：光疏介质、光密介质、全反射、临界角科学思维：全反射规律的分析科学态度与责任：光导纤维在生产、生活中的应用01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、全反射1．光密介质和光疏介质光疏介质光密介质定义折射率的介质折射率的介质传播速度光在介质中的传播速度比在介质中的传播速度小折射特点光从介质射入介质时，折射角小于入射角光从介质射入介质时，折射角大于入射角较小较大光密光疏光疏光密光密光疏2.全反射及发生条件(1)全反射及临界角的概念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，________光线就会消失，只剩下________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________．用字母C表示．(2)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________介质射入________介质．②入射角____________临界角．(3)临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sinC＝1n(公式)．折射反射入射角光密光疏等于或大于[判断正误](1)密度大的介质就是光密介质．()(2)两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质．()(3)光密介质和光疏介质具有绝对性．()二、全反射的应用1．全反射棱镜(1)形状：截面为____________三角形的棱镜．×√×等腰直角(2)光学特性：①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生____________，光射出棱镜时，传播方向改变了________．②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次____________，使光的传播方向改变了________．2．光导纤维及其应用(1)原理：利用了光的________．(2)构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外层透明介质两层组成．内芯的折射率比外层的大，光传播时在内芯与外层的界面上发生________．(3)主要优点：容量大、________损耗小、抗干扰能力强、____________等．全反射90°全反射180°全反射全反射能量保密性好[思考]全反射棱镜为什么要做成等腰直角三角形？提示：玻璃的折射率为1.5～1.8，其临界角在32°～42°之间，等腰三角形棱镜的底角为45°，满足C＜45°，故当光垂直于任何一个界面射入全反射棱镜后，在另一个界面上必然发生全反射.要点一全反射的理解[探究导入]如图所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上．逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化．在入射角逐渐增大时，折射角的大小及反射光线和折射光线的亮度如何变化？提示：逐渐增大入射角，会看到折射光线离法线越来越远，折射角逐渐增大．折射光线越来越弱，反射光线越来越强．当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线．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光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大(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．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，光全部返回原介质，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．3．临界角(1)定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角称为全反射的临界角，用C表示．(2)表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰好等于90°，n＝sin90°sinC，即sinC＝1n.[易错提醒](1)光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而言的，只对一种介质，无法确定它是光疏介质还是光密介质．(2)不同介质的折射率不同，发生全反射的临界角也不同，介质的折射率越大，临界角越小．(3)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．[典例1](多选)如图所示，一束入射光AO从某种介质以入射角α射入空气，以O点为圆心，R1为半径画圆C1，与折射光线OB交于M点，过M点向两介质的交界面作垂线，与入射光线AO的延长线交于N点，以O点为圆心，ON为半径画另一个圆C2，测得该圆的半径为R2，下列判断正确的是()A．该介质的折射率为R2R1B．若光由介质射入空气发生全反射，则临界角的正弦值为sinC＝R1R2C．若过圆C1与界面的交点D作界面的垂线交圆C2于P点，则OP与法线所夹的锐角等于全反射的临界角D．若入射光的强度保持不变，逐渐增大入射角α，则折射光的强度将逐渐增加[思路点拨]解答本题时应从以下三点进行分析：(1)依题意画出光路图，明确几何关系．(2)熟练掌握折射定律和临界问题．(3)利用三角函数进行几何量的计算．[解析]由图可知，介质的折射率n＝sinβsinα，而sinβ＝OER1，sinα＝OER2，得n＝R2R1，A正确；全反射的临界角sinC＝1n，sinC＝R1R2，B正确；过D作DP，sin∠OPD＝R1R2，故∠OPD＝∠C，因而C选项正确；当α增大时，折射光强度应减弱，D错误．[答案]ABC[方法技巧]解答全反射类问题的技巧(1)光必须从光密介质射入光疏介质．(2)入射角大于或等于临界角．(3)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时比例与实际相符，这样更有利于问题的分析．1．一束光遇到空气和玻璃(折射率为n＝2)的界面，下列说法正确的是()A．当光由空气射向玻璃时，入射角等于或大于45°时，会发生全反射现象B．当光由空气射向玻璃时，无论入射角多大，都不会发生全反射现象，且折射角不会超过45°C．当光从玻璃射向空气时，一定会发生全反射D．当光从玻璃射向空气时，入射角大于45°时，折射角会大于90°解析：玻璃相对于空气是光密介质，据全反射的条件知，只有光从玻璃射向空气才能发生全反射，A选项错误；由n＝sinθ1sinθ2，得sinθ2＝sinθ1n，当θ1＝90°时，θ2最大，且最大角为45°，B选项正确；据全反射的条件知，当光从玻璃射向空气且入射角θ≥45°时才发生全反射，C选项错误；当入射角θ1＞45°时，已发生全反射，无折射光线，故D选项错误．答案：B2．为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB面以60°入射角射入长方体时光线刚好不能从BC面射出，如图所示，该材料的折射率是多少？解析：由题图，根据折射定律得n＝sin60°sinr①由题意可知sinC＝1n②而C＝90°－r③由②③得cosr＝1n④而cosr＝1－sin2r，即1－sin2r＝1n⑤联立①和⑤解得n＝72.答案：72要点二全反射的应用[探究导入](1)如图1所示，已知玻璃的折射率为1.5，甲图中当光线垂直BC面入射时，光线到达AC面的入射角是多少？能否发生全反射？乙图中当光线垂直AC面入射时，光线到达AB面的入射角是多少？能否发生全反射？图1提示：45°；能发生全反射；45°；能发生全反射．(2)如图2所示是光导纤维的结构示意图，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成．构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？图2提示：内芯的折射率大．因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端．1．全反射棱镜的作用及应用(1)作用：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，全反射棱镜是一种特殊的棱镜，在光学仪器中用来改变光的方向．(2)应用：对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像．2．光导纤维(1)光导纤维的传播原理光由一端进入，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、图像．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．就可以传播图像．(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sinC＝1n，n＝sinθ1sinθ2，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sinθ1＝n2－1.由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向真空中光线的入射角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＝2，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，因此光导纤维折射率要比2大些．[典例2]如图所示，一根长为l＝5.0m的光导纤维用折射率n＝2的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v.(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间．[思路点拨]光在光导纤维中的传播路径怎样？其光路的总长度多大？[解析](1)由n＝cv可得v≈2.1×108m/s.(2)由n＝sinθ1sinθ2可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射．同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面，其光路如图所示．由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝2l3，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝sv≈2.7×10－8s.[答案](1)2.1×108m/s(2)2.7×10－8s[规律总结](1)发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角．(2)光导纤维利用了光的全反射，所以内芯的折射率一定大于外套的折射率．3.空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图甲所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．图乙给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生如图甲效果的是()解析：四个选项产生光路效果如图所示．由图可知B项正确．答案：B4．(多选)光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，如图所示，其中内芯的折射率为n1，外套的折射率为n2，下面说法正确的是()A．内芯和外套的折射率应满足n1＞n2B．内芯和外套的折射率应满足n1＜n2C．从左端面入射的光线，其入射角θ必须大于某值，全部光才能被传导D．从左端面入射的光线，其入射角θ必须小于某值，全部光才能被传导解析：光纤通信是利用光的全反射原理来工作的，光只有从光密介质进入光疏介质中时，才能发生全反射，因而内芯和外套的折射率应满足n1＞n2.从题图中看由左端面入射的光线，其入射角越小，进入介质后，在n1与n2的界面上入射角越大，越易发生全反射，故A、D对．答案：AD5．如图所示，AB为光导纤维，A、B之间距离为s，使一光脉冲信号从光导纤维中间入射，射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射，由A点传输到B点所用时间为t，求光导纤维所用材料的折射率n.(已知光在真空中的传播速度为c)解析：由题意有sinα＝sinC＝1nn＝cvt＝ssinαv＝svsinα由以上三式解得t＝scn·1n＝sn2c所以n＝cts.答案：cts1．透明体中的气泡看起来特别亮光照射到透明体上时，光线绝大多数穿过透明体．若透明体中有气泡，进入透明体中的部分光线射到空气泡上时，由于透明体的折射率大于气泡的折射率，若入射角大于或等于临界角，这部分光会发生全反射，然后射入人眼，由于气泡处反射回来的光比没有气泡处强得多，所以气泡看起来特别