沪科物理选修3-4《全反射与光导纤维》

欢迎进入物理课堂 4 6全反射与光导纤维4 7激光 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 4 6 4 7 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 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 4 认识激光和自然光的区别 5 了解激光的特点和应用 重点难点 全反射 临界角的概念和全反射的条件是重点 应用全反射分析解题是难点 课前自主学案 一 研究光的全反射现象1 光疏介质和光密介质的概念两种不同的介质 折射率较小的介质叫做 介质 折射率较大的介质叫做 介质 2 全反射现象 1 全反射及临界角的概念 全反射 光从 介质射入 介质时 当入射角增大到超过某一角度时 折射光线完全消失 全部光线都被反射回光密介质的现象 光疏 光密 光密 光疏 临界角 刚好发生全反射 即 等于90 时的 用字母C表示 2 全反射的条件 光从 介质射入 介质 入射角 临界角 3 临界角与折射率的关系 折射角 入射角 光密 光疏 大于等于 小 容易 越大 越小 容易 二 全反射现象的应用1 解释全反射现象 1 水或玻璃中的气泡看起来特别亮 是由于光射到气泡上发生了 2 在沙漠里 接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率 从远处物体射向地面的光线的入射角 时发生 人们就会看到远处物体的倒影 全反射 小 大于临界角 全反射 2 全反射棱镜 1 形状 截面为 三角形的棱镜 2 光学特性 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 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 全反射棱镜的反射性能比镀银的平面镜 等腰直角 全反射 90 全反射 180 更好 三 光纤及其应用1 光纤的构造光导纤维 简称光纤 是非常细的特制玻璃丝 直径从几微米到几十微米之间 由内芯和外层透明介质两层组成 内芯的折射率比外套的 光传播时在内芯与外套的界面上发生 2 光纤的原理 利用了 原理 3 光纤在医学上的应用医学上把光纤束制成内窥镜 检查人体胃 肠 气管等器官的内部 利用光纤 还可以把激光导入人体内做肿瘤切除手术 大 全反射 全反射 4 光纤通信光纤通信先将 信号转换为 信号 利用光纤把 信号输出 到接收端再将光信号还原为声音信号 光纤通信的主要优点 大 能量损耗小 强 保密性好等 四 激光1 激光的特性 1 单色性好 相干性好 所谓单色性好就是 单一 激光是颜色最纯的单色光 2 方向性好 或者说 好 只向一定的方向发光 声音 光 光 容量 抗干扰能力 频率 平行度 3 亮度高可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量 一支仅为1mW的氦 氖激光器的亮度要比地球上看到的太阳光亮约一百倍 而一台功率较大的红宝石巨脉冲激光器的亮度比太阳光要亮上百万倍 可以说 激光是现代最亮的光源 2 激光的应用 1 光纤通信 2 激光测距 3 激光写 读由于激光的平行度好 激光可以会聚到一个很小的点上 利用激光可以在光盘上刻录密度很高的信息 也可以利用激光从VCD机 CD唱机或计算机的光盘上读出记录的信息 经过处理后还原成声音或图像 4 可用激光束来切割 焊接以及在很硬的材料上打孔 医学上可以用激光做 切开皮肤 切除肿瘤 光刀 5 激光加工将激光器发出的激光经光学系统聚焦后 在待加工的工件上形成密度很高 能量很大 直径很小的光斑 使受照部位迅速熔化或汽化 以完成规定的加工 包括切割 焊接 打孔 划片 整形 热处理和表面处理等 3 全息照相 1 普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息 全息照相技术还可以记录光波的 信息 2 全息照相的拍摄利用了光的 这要求参考光和物光具有很高的相干性 激光符合这个要求 相位 干涉原理 核心要点突破 一 对全反射的理解1 光疏介质和光密介质 1 光疏介质与光密介质的相对性 两种介质在不同的比较中结果可能不同 如水 水晶和金刚石 水晶对水来说是光密介质 但对金刚石来说是光疏介质 2 全反射现象中的能量分配入射光 反射光 折射光的方向变化及能量分配关系 1 折射角随着入射角的增大而增大 2 折射角增大的同时 折射光线的强度减弱 即折射光线的能量减小 亮度减弱 而反射光线的强度增强 能量增大 亮度增加 3 当入射角增大到某一角度 即临界角 时 折射光线能量减弱到零 即折射角为90 入射光的能量全部反射回来 这就是全反射现象 图4 6 1 二 全反射的应用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4 6 2甲 乙所示 图4 6 2 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 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4 6 3所示 方框内有两个折射率n 1 5的玻璃全反射棱镜 下面给出了两棱镜四种放置方式的示意图 其中能产生该效果的是 图4 6 3 图4 6 4 解析 选B 四个选项产生光路效果如图所示 由图可知B项正确 四 应用全反射解释自然现象1 对 海市蜃楼 的解释由于空中大气的折射和全反射 会在空中出现 海市蜃楼 在海面平静的日子 站在海滨 有时可以看到远处的空中出现了高楼耸立 街道棋布 山峦重叠等景象 这种景象的出现是有原因的 当大气层比较平静时 空气的密度随温度的升高而减小 对光的折射率也随之减小 海面上空的空气温度比空中低 空气的折射率下层比上层大 我们可以粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层 如图4 6 5所示 下层的折射率较大 图4 6 5 远处的景物发出的光线射向空中时 不断被折射 射向折射率较低的上一层的入射角越来越大 当光线的入射角大到临界角时 就会发生全反射现象 光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较高的下一层 在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像 这就是海市蜃楼的景象 如图4 6 6所示 图4 6 6 2 对沙漠上 柏油路上的蜃景的解释在沙漠里也会看到蜃景 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 也可能发生全反射 人们逆着反射光线看去 就会看到远处物体的倒景 图4 6 7 仿佛是从水面反射出来的一样 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 但总是可望而不可及 沙漠里的蜃景图4 6 7 在炎热夏天的柏油马路上 有时也能看到上述现象 贴近热路面附近的空气层同热沙面附近的空气层一样 比上层空气的折射率小 从远处物体射向路面的光线 也可能发生全反射 从远处看去 路面显得格外明亮光滑 就像用水淋过一样 3 水或玻璃中的气泡为何特别明亮由图4 6 8可知 也是光线在气泡的表面发生全反射的结果 图4 6 8 课堂互动讲练 已知介质对某单色光的临界角为 则 A 该介质对此单色光的折射率等于1 sin B 此单色光在该介质中的传播速度等于光在真空中传播速度的sin 倍C 此单色光在该介质中的频率是在真空中频率的sin 倍D 此单色光在该介质中的波长是在真空中波长的sin 倍 答案 ABD 变式训练1有三种均匀透明介质A B C 已知介质A对介质B来说是光疏介质 介质B对介质C来说是光密介质 介质C对介质A来说是光疏介质 同一束单色光在三种介质中的传播速度分别为vA vB vC 三种介质对同一单色光的折射率分别为nA nB nC 同一束光由三种介质射入真空时的临界角分别为CA CB CC 1 比较nA nB nC的大小关系 2 比较vA vB vC的大小关系 3 比较CA CB CC的大小关系 答案 1 nCvA vB 3 CC CA CB 图4 6 9 自主解答 如图4 6 10所示 过O点作与MN成45 角的半径 沿该半径方向入射的光线AO 刚好与圆柱面垂直 不发生折射 沿直线射到O点 它与过O点的法线夹角刚好等于临界角45 故AO光线是刚好能发生全反射的临界光线 图4 6 10 方法总结 从上题中看到解决全反射问题的关键 1 准确熟练地作好光路图 2 抓住特殊光线的分析 如图中的光线A C 求光线照射的范围时 关键是如何找出边界光线 如果发生全反射 刚能发生全反射时的临界光线就是一个边界光线 而另一光线要通过分析找出 变式训练2 2010年高考山东卷 如图4 6 11所示 一段横截面为正方形的玻璃棒 中间部分弯成四分之一圆弧形状 一细束单色光由MN端面的中点垂直射入 恰好能在弧面EF上发生全反射 然后垂直PQ端面射出 图4 6 11 1 求该玻璃棒的折射率 2 若将入射光向N端平移 当第一次射到弧面EF上时 填 能 不能 或 无法确定能否 发生全反射 解析 如图所示 单色光照射到EF弧面上时刚好发生全反射 由全反射的条件得C 45 下列说法正确的是 A 激光可用于测距B 激光能量十分集中 只可用于加工金属材料C 外科研制的 激光刀 可以有效地减少细菌的感染D 激光可用于全息照相 有独特的特点 精讲精析 激光平行度好 即使在传播了很远的距离之后 它仍保持一定的强度 此特点可用于激光测距 A正确 激光的亮度高 能量十分集中 可用于金属加工 激光医疗 激光美容 激光武器等 B错误 激光具有很高的相干性 可用于全息照相 由于它记录了光的相位信息 所以看起来跟真的一样 立体感较强 D正确 由于激光亮度高 能量大 在动手术的同时 也能杀灭细菌 所以C正确 答案 ACD 方法总结 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 变式训练3在演示双缝干涉的实验时 常用激光做光源 这主要是应用激光的什么特性 A 亮度高B 平行性好C 单色性好D 波动性好解析 选C 频率相同的两束光相遇才能发生干涉 激光的单色性好 频率单一 通过双缝时能够得到两束相干光 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全