高中物理 第4章 光的折射与全反射 第2节 光的全反射 第3节 光导纤维及其应用教师用书 鲁科版选修3-4

第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用全 反 射 及 其 产 生 条 件先填空1全反射光从玻璃射入到空气中时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回玻璃内，这种现象称为全反射现象2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表示临界角和折射率的关系是sin C.3光疏介质和光密介质两种介质比较，折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫做光密介质4全反射的条件(1)光从光密介质射入光疏介质(2)入射角大于等于临界角再判断1光从空气射入水中时可能发生全反射现象()2光密介质，是指介质的折射率大，密度不一定大()3只要是光从光密介质射向光疏介质，就一定发生全反射()后思考通过比较什么可以知道两种介质哪个是光密介质，哪个是光疏介质？【提示】可以通过比较光在两种介质中传播速度的大小或折射率的大小来确定光密介质和光疏介质，也可通过光线射入不同介质时的偏折程度判断核心点击1全反射现象(1)全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质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2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3不同色光的临界角：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1.一束光从某介质进入真空，方向如图421所示，则下列判断中正确的是() 【导学号：78510045】图421A该介质的折射率是B该介质的折射率是C该介质相对真空发生全反射的临界角小于45 D光线按如图所示的方向入射，无论怎样改变入射方向都不可能发生全反射现象E如果光从真空射向介质，则不可能发生全反射现象【解析】上面是介质，下面是真空，入射角i30，折射角r60，则折射率n，故选项A错误，选项B正确；sinC，则C45，故选项C正确；光线按如图所示的方向入射，当入射角大于临界角时，就会发生全反射现象，故选项D错误光从真空射向介质，不可能发生全反射现象，E正确【答案】BCE2如图422所示，半圆形透明介质的横截面，其半径为R.一束光从半圆形透明介质的左边缘以入射角60射入透明介质，光束在半圆形透明介质的弧形面发生两次反射后刚好从半圆形透明介质的另一边缘射出已知光在真空中传播的速度为c.求：图422(1)半圆形透明介质的折射率(2)光线在半圆形透明介质中传播的时间(3)半圆形透明介质的全反射临界角【解析】(1)由图中几何关系可知，光束折射角r30，由折射定律，玻璃砖的折射率n(2)光线在半圆形透明介质中传播的速度v光线在半圆形透明介质中传播的距离L3R光线在半圆形透明介质中传播的时间t(3)由sin C得Carcsin【答案】(1)(2)(3)arcsin全反射定律的应用技巧1首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可2分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键3当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性4认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证对 全 反 射 现 象 的 解 释 和 光 导 纤 维先填空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全反射(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小，从远处物体射向地面的光线的入射角大于临界角时，发生全反射，人们就会看到远处物体的倒影2全反射棱镜(1)形状：截面为直角等腰三角形的棱镜(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全反射，光射出棱镜时，传播方向改变了90.当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180.3光导纤维及其应用(1)原理利用了全反射(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全反射(3)主要优点容量大，能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等再判断1在沙漠里看到的蜃景是一种全反射现象()2鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，是由于光射到气泡上发生了全反射()3光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成()后思考炎热的夏天，在公路上有时能看到远处物体的倒影，这是一种什么现象？【提示】是一种蜃景现象，是由光的全反射造成的核心点击1全反射棱镜(1)用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜，其临界角约为42.(2)全反射棱镜特点：与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%.反射面不必涂任何反光物质，反射失真小克服了平面镜成多个象的问题2光导纤维(1)构造：光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成，如图423所示图423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，外层包上折射率比它小的材料，再把若干根光纤集成一束，制成光缆，进一步提高了光纤的强度(2)原理：全反射是光导纤维的基本工作原理光在光纤内传播时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角iC(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射(3)应用：光纤通信是光导纤维的一个重要应用载有声音、图象以及各种数字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信3下述现象哪些是由于全反射造成的() 【导学号：78510046】A露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮B直棒斜插入水中时呈现弯折现象C口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可及D在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮E利用“潜望镜”可以从水底观察水面上的情况【解析】露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下在部分位置发生全反射，所以格外明亮，故A正确；直棒斜插入水中时呈现弯折现象是由于光的折射，故B不正确；口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，是折射和全反射形成的现象，故C正确；盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮，是由于发生了全反射，故D正确；“潜望镜”利用了平面镜成象，为反射现象，E不正确【答案】ACD4.如图424所示，一根长为l5.0 m的光导纤维用折射率n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：图424(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少【解析】(1)由n可得v2.1108 m/s.(2)由n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由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t2.7108 s.【答案】(1)2.1108 m/s(2)2.7108 s光导纤维问题的解题关键第一步抓关键点关键点获取信息光导纤维工作原理：全反射光束不会侧漏光束在侧壁发生全反射第二步找突破口“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题学业分层测评(十一)(建议用时：45分钟)学业达标1下列事例哪些应用了光的全反射现象()A海市蜃楼B用三棱镜观察太阳光谱C某些光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90D水中的鱼看起来比实际的要浅E多面体钻石能够闪闪发光【解析】海市蜃楼和光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90是利用了光的全反射现象，故A、C项正确；用三棱镜观察太阳光谱和水中的鱼看起来比实际的要浅，都是光的折射现象，故B、D项错误多面体钻石闪闪发光是因为全反射现象，E正确【答案】ACE2已知介质对某单色光的临界角为C，则下列说法正确的是()A该介质对单色光的折射率等于B此单色光在该介质中的传播速度等于csinC(c是光在真空中的传播速度)C此单色光在该介质中的传播波长是在真空中波长的sin C倍D此单色光在该介质中的频率是在真空中的倍E此单色光从真空射向介质，入射角大于C时一定发生全反射【解析】由临界角的计算式sin C得n，故选项A正确；将n代入sin C得sin C，故vcsin C，故选项B正确；设该单色光的频率为f，在真空中的波长为0，在介质中的波长为，由波长、频率、波速的关系得c0f，vf，由sin C得，0sin C，故选项C正确；该单色光由真空传入介质时，频率不发生变化，故选项D错误；此单色光从真空射向介质不会发生全反射，E错误【答案】ABC3一束光从空气射向折射率为n的某种玻璃的表面，如图425所示，i代表入射角，则()图425A当i45时，会发生全反射现象B无论入射角i是多大，折射角r都不会超过45C欲使折射角r30，应以i45的角入射D当入射角iarctan时，反射光线跟折射光线恰好互相垂直E当光从玻璃射向空气时， 一定会发生全反射【解析】由于光从光疏介质射向光密介质，所以不会发生全反射，A项错，B对；由折射定律计算可知C、D两项正确；光从玻璃射向空气，入射角大于临界角时才能发生全反射，E错误【答案】BCD4下列说法中正确的是() 【导学号：78510047】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E光疏介质和光密介质相对于折射率来确定，与密度无关【解析】光在各种介质中的传播速度和介质相对真空的折射率都是不同的两种介质相比较光在其中传播速度大，而折射率小的介质叫光疏介质；光在其中传播速度小，而折射率大的介质叫光密介质光疏介质和光密介质与密度无关，A、C错误，B、D、E正确【答案】BDE5关于全反射，下列说法中正确的是()A发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象D水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生全反射E介质的临界角越小就越容易发生全反射【解析】全反射是当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于等于临界角时发生的现象，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质介质的临界角越小越容易发生全反射，A、B错误，C、D、E正确【答案】CDE6光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络下列说法正确的是()A光纤通信利用光作为载体来传递信息B光导纤维传递光信号是利用光沿直线传播的原理C光导纤维传递光信号是利用光的色散原理D目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝E光在光纤内不断地发生全反射，中途不会侧漏【解析】光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝故A、D、E正确，B、C错误【答案】ADE7.如图426所示，一束光线从空气射入某介质，入射光线与反射光线夹角为90，折射光线与入射光线延长线间夹角为15，求：图426(1)该介质的折射率(2)光在该介质中传播的速度(3)当光从介质射入空气时的临界角【解析】(1)由反射定律可知，由于90，故入射角45；由图可知r45，由于15，故折射角r30，所以该介质的折射率n(2)由折射率与速度的关系n得v m/s2.12108 m/s(3)光从介质射入空气时临界角的正弦值sin C，故临界角C45【答案】(1)(2)2.12108 m/s(3)458.如图427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.图427【解析】设介质的折射率为n，则有sin sin Cnt由以上三式解得t，所以n.【答案】能力提升9OMN为玻璃等腰三棱镜的横截面a、b两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面MN，在棱镜侧面OM、ON上反射和折射的情况如图428所示由此可知()图428A棱镜内a光的传播速度比b光的小B棱镜内a光的传播速度比b光的大Ca光的频率比b光的高Da光的波长比b光的长Ea光的临界角大于b光的临界角【解析】由题图可知，a、b两单色光以相同的入射角分别射向OM、ON两界面，b光发生全反射，而a光发生折射，所以a光的折射率小于b光的折射率，因此a光的波长比b光的波长大，D正确；又v，则在棱镜内a光的传播速度比b光的大，B正确由图可知，a光的临界角大于b光的临界角，E正确【答案】BDE10.如图429所示，空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体，其内圆半径为r，外圆半径为R，Rr.现有一束单色光垂直于水平端面A射入透明柱体，只经过两次全反射就垂直于水平端面B射出设透明柱体的折射率为n，光在透明柱体内传播的时间为t，若真空中的光速为c，则() 图429【导学号：78510048】An可能为Bn可能为2Ct可能为Dt可能为Et可能为【解析】根据题意可画出光路图如图所示，则两次全反射时的入射角均为45，所以全反射的临界角C45，折射率n，A、B均正确；光在介质中的传播速度v，所以传播时间t，C、D错误，E正确【答案】ABE11.如图4210所示为用某种透明材料制成的一块柱形棱镜的截面图，圆弧CD为半径为R的四分之一的圆周，圆心为O，光线从AB面上的某点入射，入射角145，它进入棱镜后恰好以临界角射在BC面上的O点图4210(1)画出光线由AB面进入棱镜且从CD弧面射出的光路图；(2)求该棱镜的折射率n；(3)求光线在该棱镜中传播的速度大小v(已知光在空气中的传播速度c3.0108 m/s)【解析】(1)光路图如图所示(2)光线在BC面上恰好发生全反射，入射角等于临界角C，sin C，cos C.光线在AB界面上发生折射，折射角290C，由几何关系得sin 2cos C，由折射定律得n，由以上几式联立解得n.(3)光速v108 m/s.【答案】(1)见解析图(2)(3)108 m/s12.如图4211所示，AOB是由某种透明物质制成的圆柱体的横截面(O为圆心)，其折射率为.今有一束平行光以45的入射角射向柱体的OA平面，这些光线中有一部分不能从柱体的AB面上射出设凡射到OB面的光线全部被吸收，也不考虑OA面的反射，求圆柱AB面上能射出光线的部分占AB表面的几分之几？图4211【解析】如图所示，从O点射入的光线，折射角为，根据折射定律有：n，解得30.设从某位置P点入射的光线，折射到AB弧面上Q点时，入射角恰等于临界角C，有：sin C，代入数据得：C45.所以能射出光线的区域对应的圆心角C45，故能射出光线的部分占AB表面的比例为.【答案】