高中物理 第4章 光的折射 3 光的全反射教师用书 教科版选修3-4

3.光的全反射学 习 目 标知 识 脉 络1.理解全反射现象和临界角的概念.2.知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件(重点)3.能够解释全反射现象，会计算临界角(重点、难点)4.初步了解光导纤维的工作原理和光纤在生产、生活中的应用.全反射现象和全反射条件 1全反射现象(1)光疏介质和光密介质概念：两种介质比较，折射率小的介质叫做光疏介质，折射率大的介质叫做光密介质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相对性：光疏介质和光密介质是相对的(2)全反射现象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2全反射条件(1)临界角我们把光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90时的入射角，称为这种介质的临界角(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大于等于临界角(3)临界角与折射率的关系定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C.定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射1光从空气射入水中时可能发生全反射现象()2密度大的介质就是光密介质()3两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质()4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光密介质和光疏介质(1)光疏介质与光密介质的相对性：同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)光密介质和光疏介质与其密度的关系：不要把介质的疏密与介质的密度相混淆密度大不一定是光密介质，密度小也未必是光疏介质，如水和酒精，水的密度大，但二者相比水是光疏介质；光密介质和光疏介质是相对的，介质密度的大小是绝对的一般说来，同一种介质密度越大，对光的折射程度越大(3)由v可知：光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小2入射光线、反射光线、折射光线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时(即临界角)，折射光能量减弱到零(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3公式sin C只适用于光由介质射向真空(或空气)时临界角的计算1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】ACD2.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431所示，该材料的折射率是多少？图431【解析】如图所示，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全反射的应用光导纤维 1光导纤维对光的传导原理利用了全反射原理2光导纤维的构造光导纤维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折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射3光导纤维的应用光纤通信光纤通信就是把载有声音、图像和各种数字信号的激光从光纤的一端输入，沿着光纤传到另一端去4光纤通信的主要优点容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输速率高1光纤通信的主要优点是容量大()2在沙漠里看到的蜃景是一种全反射现象()3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()4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()1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2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“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(1)气候条件：当大气比较平静且海面与上层空气温差较大时，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因海面上的空气温度比空中低，空气的下层比上层折射率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432所示图432(2)光路分析：远处的景物反射的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较小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小的下一层(3)虚像的形成：当光线进入人的眼睛时，人总认为光是从反向延长线方向发射而来的，所以地面附近的观察者就可以观察到虚像且虚像成像于远处的半空中，这就是海市蜃楼的景象如图433所示图4332对“沙漠蜃景”的解释(1)气候条件：夏天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(2)光路分析：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(3)虚像的形成：人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒影(图434)，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图4343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435所示图435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、图像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()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即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”利用了平面镜成像，为反射现象，E不正确【答案】ACD4.如图436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436(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1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2.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