2018-2019學年高中物理 13.2 全反射課件 新人教版選修3-4.ppt

2 全 反 射,一、光疏介質和光密介質,較小,較大,小,小于,大于,二、全反射及其條件,1.全反射及臨界角的概念: (1)全反射:當光從光密介質射入光疏介質時，同時發(fā) 生折射和反射。當入射角增大到某一角度，使折射角 達到_時，折射光_，只剩下反射光的現 象。 (2)臨界角:剛發(fā)生全反射(即折射角等于_)時的 _，用字母C表示。,90,完全消失,90,入射角,2.全反射的條件: (1)光由_介質射入_介質。 (2)入射角_或_臨界角。,光密,光疏,大于,等于,3.臨界角與折射率的關系: (1)定量關系:光由某種介質射入空氣(或真空)時，sinC=_。 (2)定性關系:介質的折射率越大，發(fā)生全反射的臨 界角_，越容易發(fā)生全反射。,越小,三、全反射的應用 1.全反射棱鏡: (1)形狀:截面為_三角形的棱鏡。 (2)光學特性。 當光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時，光在截面 的斜邊上發(fā)生_，光射出棱鏡時，傳播方向改 變了_。,等腰直角,全反射,90,當光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時，在兩個直角邊 上各發(fā)生一次_，使光的傳播方向改變了_。 2.光導纖維及其應用: (1)原理:利用了光的_。 (2)構造:光導纖維是非常細的特制玻璃絲，由內芯和 外套兩層組成。內芯的折射率比外套的大，光傳播時 在內芯與外套的界面上發(fā)生_。,全反射,180,全反射,全反射,【思考辨析】 (1)入射角大于臨界角就會發(fā)生全反射現象。 ( ) (2)光密介質是指密度大的介質。 ( ) (3)一種介質不是光疏介質就是光密介質。 ( ) (4)光由光疏介質射入光密介質后速度減小。 ( ),(5)光由光疏介質射入光密介質時才能發(fā)生全反 射。 ( ) (6)臨界角與折射率成反比。 ( ),提示:(1) 。發(fā)生全反射的兩個條件缺一不可，光必須從光密介質射入光疏介質。 (2)。光密介質是指折射率大的介質。 (3)。一種介質究竟是光疏介質還是光密介質是相對其他介質而言的。,(4)。光密介質的折射率大，光在其中的傳播速度小。 (5)。光由光密介質射入光疏介質時才能發(fā)生全反射。 (6)。臨界角隨折射率的增大而減小，但不是反比關系。,知識點一 全反射 探究導入: 光照到兩種介質界面處，發(fā)生了如圖所示的現象。,(1)上面的介質與下面的介質哪個折射率大？ (2)全反射發(fā)生的條件是什么？ 提示:(1)下面的介質折射率大。 (2)一是光由光密介質射入光疏介質；二是入射角大于等于臨界角。,【歸納總結】 1.對光疏介質和光密介質的理解: (1)光疏介質和光密介質的比較。,(2)相對性:光疏介質、光密介質是相對的。任何兩種透明介質都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質或光密介質。 (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。,2.全反射現象: (1)全反射的條件。 光由光密介質射向光疏介質。 入射角大于或等于臨界角。,(2)全反射遵循的規(guī)律:發(fā)生全反射時，光全部返回原介質，入射光與反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光線，光的折射定律不再適用。,(3)從能量角度來理解全反射:當光從光密介質射入光疏介質時，隨著入射角增大，折射角也增大。同時折射光線強度減弱，能量減小，反射光線強度增強，能量增加，當入射角達到臨界角時，折射光線強度減弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。,3.不同色光的臨界角:不同顏色的光由同一介質射向空氣或真空時，頻率越高的光的臨界角越小，越易發(fā)生全反射。,【典題通關】 【典例】(2018景德鎮(zhèn)高二檢測)一束單色光由左側 射入盛有清水的薄壁圓柱形玻璃杯，如圖所示為過軸 線的截面圖，調整入射角，使光線恰好在水和空氣 的界面上發(fā)生全反射，已知水的折射率為 ，求 sin的值。,【解題探究】 (1)考慮玻璃杯對光線的折射作用嗎？ 提示:不考慮，因為玻璃杯很薄。 (2)光線恰好在水和空氣界面發(fā)生全反射，說明了什么？ 提示:光線從水射向空氣時的入射角恰好為臨界角C。,【正確解答】當光線在水面發(fā)生全反射時， 有sinC= 當光線從左側射入時， 由折射定律 =n 聯立式，代入數據可得sin= 答案:,【過關訓練】 1.一束細光束由真空沿著徑向射入一塊半圓柱形透明體，如圖甲所示，對其射出后的折射光線的強度進行記錄，發(fā)現折射光線的強度隨著的變化而變化，如圖乙的圖線所示，則下列說法正確的是 ( ),A.透明體的臨界角為30 B.透明體的臨界角為60 C.透明體的折射率為 D.透明體的折射率為,【解析】選B。由題圖乙的圖線可知，當小于等于 30時，入射角大于等于60，折射光線的強度為 零，光線產生全反射現象，所以此透明體的臨界角為 60，故選項A錯誤，選項B正確；由臨界角公式 sinC= ，解得n= ，故選項C、D錯誤。,2.如圖所示，A、B、C為等腰棱鏡，a、b兩束不同頻率的單色光垂直AB邊射入棱鏡，兩束光在AB面上的入射點到OC的距離相等，兩束光折射后相交于圖中的P點，以下判斷正確的是 ( ),A.在真空中，a光光速大于b光光速 B.在真空中，a光波長大于b光波長 C.a光通過棱鏡的時間大于b光通過棱鏡的時間 D.a、b兩束光從同一介質射入真空過程中，a光發(fā)生全反射的臨界角大于b光發(fā)生全反射的臨界角,【解析】選C。因為兩束光折射后相交于圖中的P點， 根據折射定律可知a光的折射率na>nb，a光的頻率 a>b，光在真空中的傳播速度相等，A錯誤；由 = 得B錯誤；由v= 和t= 得C正確；根據 sin C= 得D錯誤。,3.如圖所示，一束光線從空氣射入某介質，入射光線與反射光線夾角為90，折射光線與入射光線延長線間夾角為15，求:,(1)該介質的折射率。 (2)光在該介質中傳播的速度。 (3)當光從介質射入空氣時的臨界角。,【解析】(1)由反射定律可知=，由于+= 90，故入射角=45；由圖可知r+=45， 由于=15，故折射角r=30，所以該介質的折射 率n=,(2)由折射率與速度的關系n= 得v= m/s=2.12108 m/s (3)光從介質射入空氣時臨界角的正弦值 sin C= 故臨界角C=45 答案:(1) (2)2.12108 m/s (3)45,【補償訓練】 1.如圖所示，一束復色可見光入射到置于空氣中的平行玻璃磚MNQP 上，穿過玻璃后從下表面射出a、b兩束單色光，則下列說法正確的是 ( ),A.玻璃對a光的折射率較大 B.b光在玻璃磚中速度較大 C.a、b兩束單色光互相平行 D.若增大MN面上的入射角， a光可能在PQ面上發(fā)生全反射,【解析】選C。因為b光的偏折程度大，則b光的折射率 較大，根據v= 可得b光在玻璃中的傳播速度較小， A、B錯誤；由于光線射到玻璃磚下表面時的入射角等 于上表面的折射角，根據光路的可逆性可知，光線射 出玻璃磚時的折射角等于上表面的入射角，根據幾何 知識可知，出射光線與入射光線平行，所以a、b兩束 單色光都與入射光線平行，則a、b兩束單色光必定,平行，C正確；光線通過玻璃磚發(fā)生了兩次折射，第二次的入射角等于第一次的折射角，根據光路可逆性原理可以知道，a、b光不可能在下表面發(fā)生全反射，一定能從下表面射出玻璃磚，D錯誤。,2.如圖所示，直角三角形ABC為一三棱鏡的截面，A = 30。一束單色光從空氣射向BC上的E點，并偏折到AB上的F點，光線EF平行于底邊AC。已知入射方向與BC的夾角 = 30。試通過計算判斷光在F點能否發(fā)生全反射。,【解析】光線在BC界面的入射角1 = 60，折射角 2 = 30。 根據折射定律，得 n= 由幾何關系知， 光線在AB界面的入射角為3=60，因此sin3=,而棱鏡對空氣的臨界角C的正弦值sinC= 則由sin3> sinC知，在AB界面的入射角3 > C， 所以光線在F點將發(fā)生全反射。 答案:見解析,知識點二 光導纖維 探究導入: 如圖所示是光導纖維的結構示意圖，其內芯和外套由兩種光學性能不同的介質構成，內芯對光的折射率要比外套對光的折射率高。請問:在制作光導纖維時，選用的材料為什么要求內芯對光的折射率要比外套對光的折射率高？,提示:光只有滿足從光密介質射入光疏介質，才會發(fā)生全反射。而光導纖維要傳播加載了信息的光，需要所有光在內芯中經過若干次反射后，全部到達目的地，所以需要發(fā)生全反射，故內芯對光的折射率必須要比外套對光的折射率高。,【歸納總結】 1.構造及傳播原理:,(1)構造:光導纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1100 m，如圖所示，它是由內芯和外套兩層組成，內芯的折射率大于外套的折射率。 (2)傳播原理:光由一端進入，在兩層的界面上經過多次全反射，從另一端射出，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。,2.光導纖維的折射率:設光導纖維的折射率為n，當 入射角為1時，進入端面的折射光線傳到側面時恰 好發(fā)生全反射，如圖所示，則有:sin C= C+2=90，由以上各式可得:sin 1=,由圖可知:當1增大時，2增大，而從纖維射向空氣 中光線的入射角減小，當1=90時，若=C，則 所有進入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即解得n= 以上是光從纖維射向真空時得到的折射率，由于光導 纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因 此折射率要比 大些。,【典題通關】 【典例】(2018南寧高二檢測)如圖是一段長為L的直線段光導纖維內芯，一單色光從左端面射入光纖，已知光纖對該單色光的折射率為n，光在真空中傳播速度大小為c。,(1)求該單色光在光纖中傳播的最短時間。 (2)已知光纖對該單色光的折射率n= ，當該單色光以入射角i=45從左端面射入，求此單色光從左端面?zhèn)鞑サ接叶嗣嫠玫臅r間。,【正確解答】(1)當光線垂直于左端面射入時，光傳 播的路徑最短x=L 由n= 得光在光纖中傳播速度大小為v= 光在光纖中傳播的最短時間為t= 聯立解得t= ,(2)由于n= ，得r=30 該單色光在光纖中的路程s= 傳播時間t= 由得，t= 答案:(1) (2),【過關訓練】 1.光導纖維的結構如圖所示，其內芯和外套材料不同，光在內芯中傳播。以下關于光導纖維的說法正確的是 ( ),A.內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射 B.內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射 C.內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生折射 D.內芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護作用,【解析】選A。光導纖維內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射，故選項A對，選項B、C、D錯誤。,2.光纖通信是一種現代化的通信手段，它可以為客戶提供大容量、高速度、高質量的通信服務，為了研究問題方便，我們將光導纖維簡化為一根長直玻璃管，如圖所示。設此玻璃管長為L，折射率為n。已知從玻璃管左端面射入玻璃內的光線在玻璃管的側面上恰好能發(fā)生全反射，最后從玻璃管的右端面射出。設光在真空中的傳播速度為c，則光通過此段玻璃管所需的時間為 ( ),【解析】選A。用C表示臨界角，則有sinC= ，則光 在玻璃管中的傳播速度為v= 。光在沿玻璃管軸線的 方向上做勻速傳播。所用時間為t= 故A正確。,3.如圖所示，AB為光導纖維，A、B之間距離為s，使一光脈沖信號從光導纖維中間入射，射入后在光導纖維與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射，由A點傳輸到B點所用時間為t，求光導纖維所用材料的折射率n。,【解析】設介質的折射率為n，則有sin=sinC= n= t= 由以上三式解得t= 所以n= 。 答案:,【拓展例題】考查內容:全反射中光線范圍的確定 【典例】如圖所示，在桌面上有一倒立的玻璃圓錐，其頂點恰好與桌面接觸，圓錐的軸(圖中虛線)與桌面垂直，過軸線的截面為等邊三角形。有一半徑為r的圓柱形平行光束垂直入射到圓錐的底面上，光束的中心軸與圓錐的軸重合。已知玻璃的折射率為1.5，則光束在桌面上形成的光斑半徑為 ( ),A.r B.1.5r C.2r D.2.5r,【正確解答】選C。由sin C= 即C<60，故光線首先發(fā)生全反射，作出光路圖 如圖所示，由圖中幾何關系可得rtan 60= (R+r)tan 30，故R=2r，所以選項C正確。,