全反射 (导)学案 (16)

2全反射课程目I示鈕0% KE CHENG MU DIAO YIN HANG1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念。 2能判定是否发生全反射，并能分析解决有关问题。3 了解全反射棱镜和光导纤维。情星思当 QING JING SI KAO DAO RU。夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也是 特别明亮，这是什么道理呢？提示：光传播时发生了全反射。星础知识旦1 研究光的全反射现象(1) 光疏介质和光密介质：折射率较的称为光密介质，折射率较的称为光疏介质，光密介质与光疏介质具有相对性。(2) 全反射现象：光由 进入时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，折射光离法线越来越远，而且越来越弱。当入射角增大到某一角度，使折射角达到 90时，折射光，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。这时的入射角称为临界角，用C表示。(3) 全反射临界角：。 临界角的含义：折射角为90时的入射角。 规律：一旦发生全反射，即符合光的反射定律。(4) 全反射条件：光从:入射角临界角(同时满足)。2. 全反射现象的应用(1) 棱镜：横截面为三角形的棱镜称为。 横截面为正三角形的称为正三棱镜。 全反射棱镜：截面为的棱镜称为直角棱镜，也叫做全反射棱镜。 棱镜对光线的控制作用：使通过的光线向偏折。(2) 利用全反射棱镜可以把光线的传播方向改变，也可以改变。思考：沙漠里的行人常被这种景象所迷惑：以为前方有水源而奔向前去，但总是可望而 不可即。其原因是什么？3. 光纤及其应用(1) 光纤的原理：光纤由内芯和外套构成，内芯的折射率大于外套的折射率，光从一端进入内芯，在内芯与外套界面发生，经多次全反射传到另一端。(2) 应用：医学上的，通信用的。答案：1. (1)大小(2)光密介质光疏介质完全消失(3)C=arcsin光密介质f 1/射到光疏介质 大于或等于2. (1)三棱镜 等腰直角三角形 底边 (2)90 180思考提示：太阳照到沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小。从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，部分光线发生全反射。人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒影(如图所示)，仿佛是从水面反射出来的一样。这就是沙漠中的蜃景。3. (1)全反射(2)内窥镜軍(5难占 a | I AS I I i i一、对光疏介质和光密介质的理解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)而言是光密介质，而对金刚石来说(n=2.42),就是光疏介质。同一种介质到底是 光疏介质还是光密介质，是不确定的。2. 光若从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光 密介质时，折射角小于入射角。3. 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。4. 光疏介质和光密介质的比较。光疏介质和光密介质的比较表光的速度折射率光疏介质大小光密介质小大特別警方光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而言的。任何两种透明介质都可以通过比较光 在其中速度的大小或折射率的大小来判定是光疏介质还是光密介质。二、对全反射的理解 当光从光密介质进入光疏介质时，入射角增大，折射角也随之增大，当折射角达到90 时，折射光线消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射。对于全反射可以从以下三个方 面来理解：1. 临界角：光从某种介质进入真空(或空气)时，刚好发生全反射时的入射角叫临界角，sin 901符号为 C。n= $迅 c，故 C=arcsinn。2. 从能量的角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，入射角增大，折射 角增大。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，折射光强度减小到零，入射光的能量全部集中到反射光。3. 发生全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质；入射角01大于或等于临界角C, 即片三C。箝別警帛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。三、全反射的应用光导纤维 当光导纤维的折射率为多大时，就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射？设光导 纤维的折射率为n,当入射光线入射角为01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。1sin 0,则有：sin C=n，n=, C+02=90,由以上各式可得sin 0= n21。由图可知：当0增大时，02增大，而从光导纤维射向空气中光线的入射角0减小。当01= 90时，若0=C,则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有sinn=2O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/2大一些。猗別警方解决全反射问题的基本方法如下：(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sin C二*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。曲空例题类型一对光疏介质和光密介质的理解【例 1】 下列说法中正确的是()。A. 因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质B. 因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质C. 同一束光，在光密介质中的传播速度较大D. 同一束光，在光密介质中的传播速度较小解析：本题考查对光疏介质和光密介质的理解。因为水的折射率为1.33，酒精的折射率为1.36，所以水对酒精来说是光疏介质；由v = c可知，光在光密介质中的传播速度较小。答案：BD题后反思：要准确掌握光密介质和光疏介质的定义，注意光密介质和光疏介质都是相对 而言的，折射率较大的介质是光密介质，折射率较小的介质是光疏介质。类型二 发生全反射的条件【例 2】 如图所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条同一颜色、强度相同的光线均由 空气射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置。下列说法中正确的是()。A. 假若三条光线中有一条在O点发生了全反射，那一定是光线aB. 假若光线b能发生全反射，那么光线c 一定能发生全反射C. 假若光线b能发生全反射，那么光线a 一定能发生全反射D. 假若光线a恰能发生全反射，则光线b的反射光线比光线c的反射光线的亮度大 解析：本题考查全反射的条件及能量。三条入射光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖，在圆周界面，它们的入射角为零，均不会偏折。在直径界面，光线 a 的入射角最大， 光线c的入射角最小，它们都是从光密介质射向光疏介质，都有发生全反射的可能。如果只 有一条光线发生了全反射，那一定是光线a，因为它的入射角最大，所以A项正确。假如光线b能发生全反射，说明它的入射角等于或大于临界角，光线a的入射角更大， 所以，光线a 一定能发生全反射，光线c的入射角可能大于临界角，也可能小于临界角，因 此，光线c不一定能发生全反射。所以C项正确，B项错误。假如光线a恰能发生全反射，光线b和c都不能发生全反射，但光线b的入射角更接近 于临界角，所以光线b的反射光线较光线c的反射光线强，即光线b的反射光线亮度较大， 所以D项正确。答案：ACD 题后反思：解决本题时，主要应用了光的全反射条件，以及未发生全反射时不同入射角 对应的反射光的能量关系。题目对全反射的规律进行了较为全面的考查，要求真正掌握发生 全反射的两个条件：从光密介质到光疏介质和入射角必须等于或大于临界角。类型三 全反射的应用测量折射率【例3】半径为R的半圆柱形玻璃砖的横截面如图所示，O为圆心，光线I沿半径方向 从A处射入玻璃砖后，恰在O点发生全反射，另一条光线II平行于光线I从最高点B射入玻璃砖后，点拨：光在同一种光学器件里出现了两种光现象：一是全反射，二是光的折射，利用熟 悉的光学规律，解决问题。解析：光线I在O点恰好发生全反射，用公式：sin C二1n由于光线I和光线II平行，所以临界角C是光线II的入射角，用公式：n二血*sin 0折射角0由几何关系有： .R/4 二丄sin長而乔RT而解以上三式：n二4/17二2.03。答案：2.03 题后反思：折射类问题的分析方法一般是先作光路图，借助图形找出几何关系，尤其要注意在可能出现全反射情形下的折射问题，要点是求出临界角。腿皇练三1 关于全反射，下列说法中正确的是（）。A. 光从光密介质射向光疏介质时可能产生全反射B. 光从光疏介质射向光密介质时可能产生全反射C. 光从折射率大的介质射向折射率小的介质时可能产生全反射D光从传播速度小的介质射向传播速度大的介质时有可能产生全反射2如图所示，一束光从空气中射向折射率n=7J的某种玻璃的表面，9 表示入射角, 则下列说法中不正确的是（）。A. 当45。时会发生全反射现象B. 无论入射角是多大，折射角02都不会超过45C. 欲使折射角02=30,应以01=45。的角度入射D. 当入射角片=arctan2时，反射光跟折射光恰好垂直3 如图所示， ABCD 是一个长方形玻璃砖，将此玻璃砖置于空气中，一束光线斜射到 AB面上，关于能否发生全反射，以下说法中正确的是（）。A. 在AB面上不可能，在DC面上有可能B. 在AB面上有可能，在DC面上不可能C. 在AB面上不可能，在DC面上也不可能D. 在AB、DC面上都有可能4 一束单色光由左侧射入注满清水的薄壁圆柱形玻璃杯，如图为过轴线的截面图，调整入射角e,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4，求sin e的值。空气答案：1. ACD 全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，折射率大的介质相比于 折射率小的介质是光密介质，同一种光在不同介质中传播，速度小说明这种介质是光密介质。2A 当入射光由光疏介质射入光密介质时，无论入射角有多大，都不会发生全反射，故A项错误。由in i = n =,当0二90时，32 = 45，故B项正确。由虫十=弋2 ,当 sin 91sin 92202二30时,%二45 , C项正确。由二arctan 丫2 ,得到tan片二、：2 ,设折射角为02，从而 求出sin 0二cos 02 = ，cos件二sin 02二号，可知勺+ 02二90，反射光线跟折射光线恰 好垂直， D 项正确。3C 由于光从空气射向玻璃砖，是从光疏介质射向光密介质，不满足全反射条件，所以在AB面不可能发生全反射；当光进入玻璃砖后，再从DC面上射向空气时，入射角等于光从 AB 面折射进入玻璃砖时的折射角，而此时的折射角一定小于临界角，可知，光从DC面上折射进入空气时的入射角一定小于临界角，不可能发生全反射。4 .解析：当光线在水面发生全反射时有sin C二1，当光线从左侧射入时，由折射定律n有 _二n，联立这两式，代入数据可得sin 0二互。sin(- - C)32答案：亍