高中物理 第4章 光的折射與全反射 第2節(jié) 光的全反射 第3節(jié) 光導纖維及其應用知識導航素材 魯科版選修34

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1、第2節(jié) 光的全反射第3節(jié) 光導纖維及其應用思維激活 動手做下面的“水流導光”小實驗:將飲料瓶下側開一個小孔，瓶中灌入清水，水就從小孔流出.用激光筆水平射向飲料瓶水孔出水處（圖4-2-1），觀察光的傳播路徑.你發(fā)現了什么奇特的現象？圖4-2-1提示:觀察到整個水流都亮了，激光束并沒有沿直線穿出彎曲的水流射向空氣，這是由于激光在水柱與空氣界面上多次發(fā)生全反射的結果.光導纖維也正是根據這一原理制作的.學完了本節(jié)的內容后，你就能領悟其中的奧妙了.自主整理一、全反射及其產生條件1.當光由_介質入射到_介質中時，折射角大于入射角，當角_增大到一定程度時，_光線完全消失，全部光線都被反射回光密介質內，這種現

2、象稱為全反射.2.剛好發(fā)生全反射，即折射角變?yōu)開時的_角，叫全反射的臨界角.3.發(fā)生全反射的條件是：（1）光由_射入_；（2）入射角_臨界角.二、對全反射現象的解釋1.自然界中常見的全反射現象有：（1）海水的浪花呈現_；（2）水中的氣泡_；（3）炎熱夏天的柏油路面顯得格外_，等等.2.全反射棱鏡的截面是_三角形，當光垂直于直角邊射向棱鏡時，光的傳播方向改變了_角，當光垂直于斜邊射向棱鏡時，光的傳播方向改變了_角.三、光導纖維及其應用1.光導纖維是由折射率_的玻璃內芯和折射率_的外層透明介質組成的.2.光纖通信是光導纖維的一個重要應用，光纖通信先將聲音信號轉換為_，利用光纖把輸出_；到接收端再將

3、_還原為_.高手筆記1.對光的全反射的理解.（1）光的全反射是光從光密介質進入光疏介質時，折射光線消失，只剩下反射光線的現象.(2)全反射是光的折射的特殊現象，光的反射定律適用于全反射.(3)發(fā)生全反射的條件是：光由光密介質射入光疏介質，且入射角大于等于臨界角.（4）極限方法的正確運用是解決全反射問題的關鍵，全反射棱鏡與光導纖維的分析需結合實際問題，畫出光路圖，借助幾何關系分析解釋.2.應用全反射解決實際問題的基本方法（1）確定光是由光疏介質進入光密介質還是由光密介質進入光疏介質.（2）若光由光密介質進入光疏介質，則根據sinC=確定臨界角，看是否發(fā)生全反射.（3）根據題設條件，畫出入射角等于

4、臨界角的“臨界光路”.（4）運用幾何關系、三角函數關系、反射定律等進行判斷推理，運算及變換進行動態(tài)分析或定量計算.名師解惑1如何理解光疏介質和光密介質？ 剖析:（1）光疏介質和光密介質是相對而言的，并沒有絕對的意義.例如：水晶（n=1.55）對玻璃（n=1.5）是光密介質，而對金剛石來說（n=2.427），就是光疏介質.同一種介質到底是光疏介質還是光密介質，是不確定的.（2）光若從光密介質進入光疏介質時，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質進入光密介質時，折射角小于入射角.（3）光疏和光密，是從介質的光學特性來說的，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質.（4

5、）光疏介質和光密介質的比較光疏介質和光密介質的比較表光的速度折射率光疏介質大小光密介質小大2光導纖維的物理原理是什么？ 剖析：全反射的一個重要應用就是用于光導纖維（簡稱光纖）.光纖有內、外兩層材料，其中內層是光密介質，外層是光疏介質.光在光纖中傳播時，每次射到內、外兩層材料的界面，都要求入射角大于臨界角，從而發(fā)生全反射.這樣使從一個端面入射的光，經過多次全反射能夠從另一個端面射出.如圖4-2-2所示，光導纖維可以遠距離傳播光，光信號又可以轉換成電信號，進而變?yōu)槁曇?、圖像.如果把許多（上萬根）光導纖維合成一束，并使兩端的纖維按嚴格相同的次序排列，就可以傳輸圖像.圖4-2-2講練互動【例題1】如圖

6、4-2-3所示，ABCD是兩面平行的透明玻璃磚，AB面和CD面平行，它們分別是玻璃和空氣的界面，設為界面和界面，光線從界面射入玻璃磚，再從界面射出，回到空氣中，如果改變光到達界面時的入射角，則（ ）圖4-2-3A.只要入射角足夠大，光線在界面上可能發(fā)生全反射現象B.只要入射角足夠大，光線在界面上可能發(fā)生全反射現象C.不管入射角多大，光線在界面上都不可能發(fā)生全反射現象D.不管入射角多大，光線在界面上都不可能發(fā)生全反射現象解析：在界面光由空氣進入玻璃磚，是由光疏介質進入光密介質，不管入射角多大，都不發(fā)生全反射現象，則選項C正確.在界面光由玻璃進入空氣，是由光密介質進入光疏介質，但是，由于界面和界面

7、平行，光由界面進入玻璃后再達到界面，在界面上的入射角等于在界面上的折射角，因此入射角總是小于臨界角，因此也不會發(fā)生全反射現象，選項D也正確.綜上可知，選項C、D正確.答案：CD黑色陷阱 有的同學認為在界面，光由光密介質進入光疏介質，只要入射角足夠大，就可能發(fā)生全反射現象.這是錯誤的，錯誤的原因在于孤立地討論光在界面能否發(fā)生全反射現象，而沒有認識到光是由界面進入玻璃后再到達界面，到達界面時光的入射角等于在界面的折射角，它的大小是受到折射定律限制的，因此在界面上的入射角總是小于臨界角.=變式訓練1關于全反射，下列說法中正確的是（ ）A.發(fā)生全反射時，仍有折射光線，只是折射光線非常弱，因此可以認為不

8、存在折射光線而只有反射光線B.光線從光密介質射向光疏介質時，一定會發(fā)生全反射現象C.光從光疏介質射向光密介質時，不可能發(fā)生全反射現象D.水或玻璃中的氣泡看起來特別亮，就是因為光從水或玻璃射向氣泡時，在界面發(fā)生全反射解析:全反射發(fā)生的條件是當光從光密介質射向光疏介質時，且入射角大于或等于臨界角時發(fā)生的現象，發(fā)生全反射時全部光線均不進入光疏介質.答案:CD【例題2】在厚度為d、折射率為n的大玻璃板下表面，有一個半徑為r的圓形發(fā)光面.為了從玻璃板的上方看不見這個圓形發(fā)光面，可在玻璃板的上表面貼一塊圓形紙片，問所貼紙片的最小半徑應為多大？解析：根據題意，光路圖如圖4-2-4所示，圖中S點為圓形發(fā)光面邊

9、緣上的一點.由該點發(fā)出的光線能射出玻璃板的范圍由臨界光線SA確定，當入射角大于臨界角C時，光線就不能射出玻璃板了.圖4-2-4圖中r=dtanC=d,而sinC=,則cosC=,所以r=.故應貼圓紙片的最小半徑R=r+r=r+.答案：R=r+綠色通道 有關全反射現象的問題，關鍵是理解發(fā)生全反射的條件，注意找出臨界光線，并正確作出光路圖，根據臨界角公式和幾何知識進行判斷和計算.變式訓練2.如圖4-2-5所示，在清澈平靜的水底，抬頭向上觀察，會看到一個十分有趣的現象:圖4-2-5（1）水面外的景物（藍天、白云、樹木、房屋），都呈現在頂角=97的倒立圓錐底面的“洞”內；（2）“洞”外是水底的景象；（

10、3）“洞”邊呈現彩色，且七色的順序為內紫外紅.試分析上述水下觀天的奇異現象.解析:水面外的景物射向水面的光線，凡入射角0i90時，都能折射入水中被人觀察到（如圖所示）.根據折射定律，在i=90的臨界條件下n=，sinr=,r=48.5. 這樣倒圓錐的頂角=2r=97 水底發(fā)出的光經過水面反射也可以進入觀察者的眼中，但是由于“洞”內有很強的折射光，所以只有在“洞”外才能看到水底景物經水面的反射光，也就是在“洞”外看到水底景象.如圖所示. 光線從空氣中折射入水中，要產生色散現象：紅光的折射率最小，偏向角最??；紫光的折射率最大，偏向角最大.因為眼睛感覺光線是沿直線傳播的，所以從水中看到的彩色“洞”邊

11、是內紫外紅.答案:見解析【例題3】如圖4-2-6所示，一根長為L的直光導纖維，它的折射率為n.光從它的一個端面射入，又從另一端面射出所需的最長時間為多少？（設光在真空中的光速為c）圖4-2-6解析：由題中的已知條件可知，要使光線從光導纖維的一端射入，然后從它的另一端全部射出，必須使光線在光導纖維中發(fā)生全反射現象.要使光線在光導纖維中經歷的時間最長，就必須使光線的路徑最長，即光對光導纖維的入射角最小.光導纖維的臨界角為C=arcsin.光在光導纖維中傳播的路程為d=nL.光在光導纖維中傳播的速度為v=.所需最長時間為tmax=.答案：綠色通道 光導纖維是全反射現象的應用，其構造由內芯和外套組成，

12、內芯的折射率大于外套.與此題相關的一類求極值的問題，極值存在的條件均與全反射臨界角有關.變式訓練3.(2005廣東)光纖通信是一種現代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高質量的通信服務.目前，我國正在大力建設高質量的寬帶光纖通信網絡.下列說法正確的是（ ）A.光纖通信利用光作為載體來傳遞信息B.光導纖維傳遞光信號是利用光的衍射原理C.光導纖維傳遞光信號是利用光的色散原理D.目前廣泛應用的光導纖維是一種非常細的特制玻璃絲解析:光纖是利用光的全反射現象而實現光作為載體的信息傳遞，光纖是內芯折射率大于外層表皮折射率的很細的玻璃絲.答案:AD體驗探究【問題】依據課本第78頁的“實驗與探究”內容，通過

13、觀察全反射現象，體驗探究并分析總結出折射角隨入射角變化而變化的規(guī)律，以及折射光線與入射光線強弱變化的對比情況. 導思:做好全反射實驗是關鍵，光源最好用氦氖激光光源，而且要在較暗的環(huán)境中進行.要注意保證入射光經過圓心.仔細觀察入射角的變化對反射光和折射光的影響. 探究:注意觀察實驗中入射光、反射光、折射光的方向變化及能量分配關系:(1)折射角隨著入射角的增大而增大；（2）折射角增大的同時，折射光線的強度減弱，即折射光線的能量減小，而反射光線的強度增強，能量增大；（3）當入射角增大到某一角度時（即臨界角），折射光的能量減弱到零（即折射角等于90），入射光的能量全部反射回到水中，即發(fā)生全反射. 通過

14、該實驗，對全反射有進一步深刻的理解：（1）全反射是光的折射的特殊現象，全反射現象還可以從能量變化角度加以理解.當光線從光密介質射入光疏介質，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量已經減弱為零，發(fā)生了全反射.（2）發(fā)生全反射的條件：光由光密介質射向光疏介質；入射角i大于或等于臨界角C，即iC.(3)折射角等于90時的入射角叫做臨界角.由折射定律知，nsinC=1sin90,即sinC=.公式sinC=只適用于光由介質射向真空（或空氣）時的臨界角計算，即C為介質對真空（或空氣）的臨界角.教材鏈接閱讀課本第81頁的“討論與交流”，回答

15、下列問題：（1）在什么情況下才能看見彩虹？為什么？（2）現在大城市為什么很難看見彩虹？（3）從對彩虹的分析中，你有哪些關于環(huán)境保護的設想？ 答:（1）彩虹是由于日光經過球狀小水滴時，從空氣射入球內要發(fā)生折射，從球內射向空氣可能要發(fā)生全反射形成的.當陽光進入水滴后就被分解為七色光，這七色光再經過內表面反射進入我們的視角，我們就看見了七彩的虹. 如圖4-2-7甲所示是由于太陽光經過小水滴時，受到兩次折射，一次反射，產生第一道彩虹，偏向程度與日光進行方向差138，因此我們看到第一道彩虹呈現42方位角，如圖4-2-7中乙所示. 如圖4-2-7丙、丁所示，若日光受到兩次折射、兩次反射，則產生第二道彩虹（

16、50）.由于紅光受折射偏向最小，藍光最大.第一道彩虹的顏色排列由內向外是：藍紅，第二道則是紅藍.圖4-2-7 彩虹多發(fā)生在大雨過后，需背對陽光才看得到，每個人看到的彩虹都以觀察者為中心形成42或50的光環(huán). 其實，彩虹不僅僅來自天空，在有水霧和陽光的地方，都有可能看見彩虹，因為彩虹實際上是白光通過水滴折射、反射后產生的.(2)大城市由于環(huán)境污染嚴重，空氣中漂浮大量的粉塵等顆粒雜質，也使得空中的小水珠不再純凈，難以形成日光的折射和全反射，所以很難看到彩虹.（3）要愛護環(huán)境，保護大氣層，減少有害氣體的排放，植樹造林.6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375