2019-2020学年高中物理 第4章 光的波动性 6 全反射与光导纤维 7 激 光课件 沪科版选修

4.6全反射与光导纤维4.7激光第4章光的波动性1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.(重点)2.能判定是否发生全反射，并能分析解决有关问题.(重点、难点)3.了解全反射棱镜和光导纤维.4.认识激光和自然光的区别.5.了解激光的特点和应用.第4章光的波动性一、光疏介质与光密介质折射率较小的介质称为__________，折射率较大的介质称为__________.光疏介质与光密介质是______的.光疏介质光密介质相对光密介质的密度一定大吗？提示：不一定，光疏介质与光密介质是根据折射率确定的.二、光的全反射现象1.概念：光由光密介质进入光疏介质时，当入射角增大到某一角度时，折射角达到____，或折射光光线__________只剩下反射光线的现象.2.发生条件：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.90°完全消失光密光疏大于或等于3.临界角(1)定义：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的________，用字母___表示.(2)临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，__________.4.全反射的应用(1)全反射棱镜：截面为________________的棱镜，利用全反射__________.(2)光导纤维：由折射率______的内芯和折射率______的外套组成，光传播时在内芯与外套的界面上发生________.入射角CsinC＝1n等腰直角三角形改变光路较大较小全反射三、激光1.激光的主要特性(1)激光是一种人工产生的相干光，它的________好，频率严格单一，且在同一方向上偏振.(2)平行度好，也就是________好，传播得很远也不会发散得很开.(3)亮度高，它可以在____________和____________内聚集起大到难以想象的能量.2.激光的应用应用它的__________，精密测量，全息照相.应用__________，对激光进行调制，在光纤中传播信息.单色性方向性很小的空间很短的时间相干性好相干性好应用__________，精确的测距，计算机中的光储存技术.应用________，工业上的切割和焊接；医学上的切割和“焊接”.3.全息照相全息照相的原理是将一束激光通过分光镜分成两束，一束光经透镜扩束后照到物体上，经物体反射再照到感光底片上，这部分光叫做______.另一束光直接照到感光底片上，这部分光叫做________.物光和参考光在感光片上叠加形成干涉条纹，底片上记录了物光的全部信息和两束光的干涉条纹.平行度好亮度高物光参考光对全反射现象的理解1.对光密介质和光疏介质的认识(1)光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义，例如：水晶(n＝1.55)对玻璃(n＝1.5)是光密介质，而对金刚石来说(n＝2.427)，就是光疏介质，一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的.(2)光疏介质和光密介质是从介质的光学特性加以区分的，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，酒精是光密介质.2.发生全反射的条件及规律(1)全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解，当光线从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射.(2)发生全反射的条件：光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于或等于临界角.(3)全反射遵循的规律：光由光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律，有关计算仍依据反射定律进行.3.临界角C：折射角等于90°时的入射角叫做临界角，用符号C表示，光从折射率为n的某种介质射到空气(或真空)中时的临界角C就是折射角等于90°时的入射角，根据折射定律可得：sin90°sinC＝1sinC＝n，因而：sinC＝1n.4.全反射现象的应用(1)光导纤维①作用：传递声音、图像及各种数字信号.②原理：光的全反射.③构造特点：双层，外层材料的折射率比里层材料的折射率小.④优点：容量大、衰减小、抗干扰能力强.⑤实际应用：光纤通信、医用胃镜等.(2)全反射棱镜横截面成等腰直角三角形的三棱镜.在玻璃内部，光射向玻璃与空气界面时，入射角大于临界角，发生全反射.与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达100%，由于反射面不涂敷任何反光物质，所以反射失真小.选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90°或180°，如图甲、乙所示.如图所示，一个横截面为直角三角形的三棱镜，∠A＝30°，∠C＝90°，三棱镜材料的折射率是n＝3.一束与BC面成θ＝30°角的光线射向BC面.(1)试通过计算说明在AC面下方能否观察到折射光线？(2)作出三棱镜内完整的光路图，指出最终的出射光线与最初的入射光线之间的夹角.[解析](1)由折射定律：在BC界面：n＝sin60°sinγ解得γ＝30°由临界角公式sinC＝1n，得sinC＝33，所以全反射临界角C60°，而光线在AC面上的入射角为60°C，故光线在AC界面发生全反射，在AC面下方不能观察到折射光线.(2)光路如图所示，最终的出射光线与最初的入射光线之间的夹角为120°.[答案]见解析解决全反射问题的基本步骤：(1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质.(2)若光由光密介质进入光疏介质，则根据sinC＝1n确定临界角，看是否发生全反射.(3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”.(4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断、推理、运算及变换，进行动态分析或定量计算.1.水的折射率为n，距水面深h处有一个点光源，岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径为()A.2htanarcsin1nB.2htan(arcsinn)C.2htanarccos1nD.2hcot(arccosn)解析：选A.当从光源处发出的光入射到水面时，发生折射现象，透出水面，岸上的人能看到光亮，但当入射角达到或大于临界角C时，发生全反射现象，没有光线射出水面，这个临界位置的入射点与光源间的水平距离就是照亮区域的半径r，由于sinC＝1n，r＝htanC＝htanarcsin1n.对激光特性的进一步认识1.激光的特性(1)激光束中的所有光子都是相互关联的.它们频率一致，相位一致（即振动步调一致）、偏振方向一致、传播方向一致.(2)激光的单色性好、相干性好.由于激光束中各光子的频率相同，因此激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的.(3)激光的方向性强.由于激光束中各光子的传播方向一致，因此激光的平行度非常好.即使传播很远的距离，激光束的扩散程度也很小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距.现在利用激光测量地月距离精确度已达到1m.也可以利用这一特点进行激光瞄准.(4)激光的亮度非常高.它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温.不能用激光直接照射眼睛，否则会伤害眼睛.2.激光的应用举例与对应的特性(1)激光雷达：对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到回波的时间间隔，结合发射的方向，就可探知目标的方位和距离，结合多普勒效应，还可以求出目标的运动速度.(利用激光的平行度好).(2)读盘：激光的平行度很好，可以会聚到很小的一点，让会聚点照射VCD碟片、CD碟片、计算机的光盘上，就可读出光盘上记录的信息.(利用激光的平行度好).(3)医用激光刀：可以用于医疗的某些手术上，具有手术时间短、损伤小、不会引起细菌感染、止血快等优点.(利用激光的亮度高)(4)切割金属等难熔物质：用激光可以产生几千万度的高温，最难熔的物质也可在瞬间汽化.(利用激光的亮度高)(5)激光育种：用激光照射植物的种子，会使植物产生有益的变异，用于培育新品种.(利用激光的亮度高)(6)引起核聚变：使核聚变能在控制前提下进行.(利用激光亮度高)(7)激光可以作为武器使用：用以击毁侦察卫星，飞行的导弹、飞机等.(利用激光的亮度高)(8)作为干涉、衍射的光源：干涉、衍射现象明显.(利用其单色性好)(多选)激光技术是在1958年发明的.激光被誉为神奇的光，关于激光的应用下列说法中正确的是()A.激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度B.由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制，用来传递信息C.用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光在大气中传播不受大气的影响D.能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光通过地球大气不会发生折射[解析]激光用来控制核聚变，是因为它的方向性好，光源的能量就集中在很小一点上，可以在空间某个小区域内产生极高的温度，故A正确.由于激光是相干光，所以它能像无线电波那样被调制，用来传递信息，故B正确.用激光拦截导弹，摧毁卫星，是因为激光方向性好、能量高；能利用激光测量地面到月球表面的距离，是因为激光平行度好，方向性好，但都会不同程度地受大气影响，故C、D错误.[答案]AB激光的主要特点有三个(1)平行性好；(2)相干性好(单色性好)；(3)亮度高.解题时要从题目提供的信息识别与激光的哪个特点对应，然后再进行判断.2.关于激光的应用问题，下列说法中正确的是()A.光纤通信是应用激光平行度非常好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中传递信息的B.计算机内的“磁头”读出光盘上记录的信息是应用了激光相干性的特点C.医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点解析：选C.选项个性分析综合点评A错误由激光的特点及应用可知光纤通信主要利用了激光的相干性激光已在生产、生活中的各个领域得到了广泛应用，学习时要注意理论联系实际，熟练掌握激光的特点及应用B错误计算机内的“磁头”读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好C正确医疗中的激光“光刀”利用了激光的亮度高的特点D错误激光测距利用的是激光的平行度和方向性好的特点全反射中光线范围的确定如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴（过球心O与半球底面垂直的直线）.已知玻璃的折射率为1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出（不考虑被半球的内表面反射后的光线）.求：(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；(2)距光轴R3的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离.[解析](1)如图，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角iC时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为l.i＝iC①设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsiniC＝1②由几何关系有sini＝lR③联立①②③式并利用题给条件，得l＝23R.④(2)设与光轴相距R3的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有nsini1＝sinr1⑤设折射光线与光轴的交点为C，在△OBC中，由正弦定理有sin∠CR＝sin（180°－r1）OC⑥由几何关系有∠C＝r1－i1⑦sini1＝13⑧联立⑤⑥⑦⑧式及题给条件得OC＝3（22＋3）5R≈2.74R.[答案]见解析