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(cè)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(xiàn)了什么奇特的現(xiàn)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(jié)果.光導纖維也正是根據(jù)這一原理制作的.學完了本節(jié)的內(nèi)容后，你就能領悟其中的奧妙了. 自主整理 一、全反射及其產(chǎn)生條件 1.當光由____________介質(zhì)入射到____________介質(zhì)中時，

2、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(zhì)內(nèi)，這種現(xiàn)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(xiàn)象的解釋 1.自然界中常見的全反射現(xiàn)象有：（1）海水的浪花呈現(xiàn)____________；（2）水中的氣泡____________；（3）炎熱夏天的柏油路面顯得格外____________，等等. 2

3、.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(nèi)芯和折射率____________的外層透明介質(zhì)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(zhuǎn)換為____________，利用光纖把輸出____________；到接收端再將____________還原為____________. 高手筆記 1.對光的全反射的理解. （1）光的全反射是

4、光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，折射光線消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象. (2)全反射是光的折射的特殊現(xiàn)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(zhì)射入光疏介質(zhì)，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(jié)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(zhì)進入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì). （2）若光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，則根據(jù)sinC=確定臨界角，看是否發(fā)生全反射. （3）根據(jù)題設條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”. （4）運

5、用幾何關系、三角函數(shù)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(zhì)和光密介質(zhì)？ 剖析:（1）光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)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(zhì)，而對金剛石來說（n=2.427），就是光疏介質(zhì).同一種介質(zhì)到底是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)，是不確定的. （2）光若從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)時，折射角小于入射角. （3）光疏和光密，是從介質(zhì)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(zhì). （

6、4）光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較表 光的速度 折射率 光疏介質(zhì) 大 小 光密介質(zhì) 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(nèi)、外兩層材料，其中內(nèi)層是光密介質(zhì)，外層是光疏介質(zhì).光在光纖中傳播時，每次射到內(nèi)、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(jīng)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(zhuǎn)換成電信號，進而變?yōu)槁曇簟D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

7、序排列，就可以傳輸圖像. 圖4-2-2 講練互動 【例題1】如圖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Ⅰ和界面Ⅱ，光線從界面Ⅰ射入玻璃磚，再從界面Ⅱ射出，回到空氣中，如果改變光到達界面Ⅰ時的入射角，則（ ） 圖4-2-3 A.只要入射角足夠大，光線在界面Ⅰ上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 B.只要入射角足夠大，光線在界面Ⅱ上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 C.不管入射角多大，光線在界面Ⅰ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 D.不管入射角多大，光線在界面Ⅱ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 解析：在界面Ⅰ光由空氣進入玻璃磚，是由光疏介質(zhì)進入光

8、密介質(zhì)，不管入射角多大，都不發(fā)生全反射現(xiàn)象，則選項C正確.在界面Ⅱ光由玻璃進入空氣，是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ進入玻璃后再達到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ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(xiàn)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Ⅱ，光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，只要入射角足夠大，就可能發(fā)生全反射現(xiàn)象.這是錯誤的，錯誤的原因在于孤立地討論光在界面Ⅱ能否發(fā)生全反射現(xiàn)象，而沒有認識到光是由界面Ⅰ進入玻璃后再到達界面Ⅱ，到達界面Ⅱ時光的入射角等于在界面Ⅰ的折射角，它的大小

9、是受到折射定律限制的，因此在界面Ⅱ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，因此可以認為不存在折射光線而只有反射光線 B.光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，一定會發(fā)生全反射現(xiàn)象 C.光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，不可能發(fā)生全反射現(xiàn)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(zhì)射向光疏介質(zhì)時，且入射角大于或等于臨界角時發(fā)生的現(xiàn)象，發(fā)生全反射時全部光線均不進入光疏介質(zhì). 答案:CD 【例題2】在厚度為d、折

10、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(jù)題意，光路圖如圖4-2-4所示，圖中S點為圓形發(fā)光面邊緣上的一點.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Δr=dtanC=d,而sinC=,則cosC=, 所以Δr=.故應貼圓紙片的最小半徑R=r+Δr=r+. 答案：R=r+ 綠色通道 有關全反射現(xiàn)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

11、圖，根據(jù)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(xiàn)象: 圖4-2-5 （1）水面外的景物（藍天、白云、樹木、房屋），都呈現(xiàn)在頂角θ=97的倒立圓錐底面的“洞”內(nèi)； （2）“洞”外是水底的景象； （3）“洞”邊呈現(xiàn)彩色，且七色的順序為內(nèi)紫外紅. 試分析上述水下觀天的奇異現(xiàn)象. 解析:水面外的景物射向水面的光線，凡入射角0≤i<90時，都能折射入水中被人觀察到（如圖所示）.根據(jù)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θ=2r=97

12、 水底發(fā)出的光經(jīng)過水面反射也可以進入觀察者的眼中，但是由于“洞”內(nèi)有很強的折射光，所以只有在“洞”外才能看到水底景物經(jīng)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(chǎn)生色散現(xiàn)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”邊是內(nèi)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

13、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(xiàn)象.要使光線在光導纖維中經(jīng)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(xiàn)象的應用，其構(gòu)造由內(nèi)芯和外套組成，內(nèi)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(xiàn)代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高質(zhì)量的通信服

14、務.目前，我國正在大力建設高質(zhì)量的寬帶光纖通信網(wǎng)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(xiàn)象而實現(xiàn)光作為載體的信息傳遞，光纖是內(nèi)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(jù)課本第78頁的“實驗與探究”內(nèi)容，通過觀察全反射現(xiàn)象，體驗探究并分析總結(jié)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

15、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(jīng)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(xiàn)象，全反射現(xiàn)象還可以從能量變化角度加以理解.當

16、光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，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(jīng)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(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角i大于或等于臨界角C，即i≥C. (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(zhì)射向真空（或空氣）時的臨界角計算，即C為介質(zhì)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”，回答下列問題： （1）在什么情況下才能看見彩虹？為什么？ （2）現(xiàn)在大城市為什么很難看見彩

17、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(jīng)過球狀小水滴時，從空氣射入球內(nèi)要發(fā)生折射，從球內(nèi)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(jīng)過內(nèi)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(jīng)過小水滴時，受到兩次折射，一次反射，產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生第二道彩虹（50）.由于紅光受折射偏向最小，藍光最大.第一道

18、彩虹的顏色排列由內(nèi)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(chǎn)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(zhì)，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