2020版新教材高中物理 主题3 光及其应用 2 全反射学案 新人教版必修第一册

2全反射学 习 目 标知 识 脉 络1理解光的全反射，会利用全反射解释有关现象2理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应的光路图(重点)3了解全反射棱镜和光导纤维知识点一| 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较小的介质折射率较大的介质传播速度光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小折射特点光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角2.全反射及发生条件(1)全反射及临界角的概念全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象临界角：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：光从光密介质射入光疏介质入射角等于或大于临界角(3)临界角与折射率的关系光由介质射入空气(或真空)时，sin_C(公式)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()1只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质？【提示】不能光密介质、光疏介质是对确定的两种介质相比较折射率而确定的，只有一种介质是无法比较折射率的，从而无法确定它是光疏介质还是光密介质2为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？【提示】水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮1.对光疏介质和光密介质的理解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(n1.55)对玻璃(n1.5)是光密介质，而对金刚石(n2.42)来说，就是光疏介质同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，不是绝对的光疏和光密是从介质的光学特性来说的，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由v可知：光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小光在两种介质中传播时，由折射定律可知：n1sin 1n2sin 2，n1v1n2v2，由此可知：当光从光密介质传播到光疏介质时，折射角大于入射角；当光从光疏介质传播到光密介质时，折射角小于入射角光在光疏介质中传播的速度大于光在光密介质中传播的速度2对全反射的理解(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)全反射遵循的规律：光从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1.下列选项所示光线由空气透过半圆形玻璃砖，再射入空气的光路图中，正确的是(玻璃的折射率为1.5)()解析：答案：BDE2已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是()A从玻璃射入水晶B从水射入二硫化碳C从玻璃射入水中 D从水晶射入水E从玻璃射入二硫化碳解析：发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故A、C、D正确答案：ACD3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：如题图所示，根据折射定律：n由题意可知sin C而C90r由得cos r而cos r，代入得联立和解得n.答案：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，且在作光路图时尽量与实际相符，这样更有利于问题的分析知识点二| 全反射的应用1全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光的方向2光导纤维：由折射率较大的内芯和折射率较小的外套组成，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射1光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射()2全反射棱镜和平面镜都是根据全反射原理()3光纤通信的主要优点是容量大()微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂，光纤为什么要由两层介质构成？【提示】光纤的工作原理是全反射，要由两种介质配合才能产生全反射现象1对全反射棱镜光学特性的两点说明(1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高(2)反射时失真小，两种反射情况如图甲、乙所示2光导纤维的结构与应用实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，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，使反射光的能量最强，实现远距离传送因此，光信号能携带着声音、图象以及各种数字信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信，其主要优点是容量大，衰减小，抗干扰性强等医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体的胃、肠等器官内部，如图所示4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，其框外光线如图所示，方框内有两个折射率为n1.5的全反射玻璃棱镜在框内画出两个棱镜的放置方式并作出光路图答案：5华裔科学家高锟被誉为“光纤通讯之父”光纤通讯中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播内芯的折射率比外套的_，光传播时在内芯与_的界面上发生全反射解析：光纤内芯比外套折射率大，在内芯与外套的界面上发生全反射答案：大外套6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，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)解析：该题考查光导纤维的全反射及光速问题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Carcsin.光在光导纤维中传播的路程为dnL，光在光导纤维中传播的速度为v，所需的最长时间为tmax.答案：对光导纤维折射率的要求设光导纤维的折射率为n，当入射光线的入射角为1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全发射，如图所示，则有：sin C，n，C290，由以上各式可得：sin 1.由图可知：(1)当1增大时，2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角减小(2)当190时，若C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有n，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率(3)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大些- 7 -