物理 第四章 光的折射 3 光的全反射 教科版選修3-4

3光的全反射第四章光的折射學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念.2.理解全反射的條件，能計(jì)算有關(guān)問題和解釋相關(guān)現(xiàn)象.3.了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光導(dǎo)纖維在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.內(nèi)容索引重點(diǎn)探究啟迪思維 探究重點(diǎn)達(dá)標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過關(guān)自主預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)新知 夯實(shí)基礎(chǔ)自主預(yù)習(xí)一、全反射現(xiàn)象及條件一、全反射現(xiàn)象及條件1.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)(1)對(duì)于兩種介質(zhì)來說，光在其中傳播速度較小的介質(zhì)，即折射率 的介質(zhì)叫 介質(zhì)；光在其中傳播速度較大的介質(zhì)，即折射率較小的介質(zhì)叫 介質(zhì).(2)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對(duì)的.2.全反射(1)定義：光從 介質(zhì)射到 介質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象.較大光密光疏光密光疏(2)全反射的條件光需從 介質(zhì)射至 介質(zhì)的界面上.入射角必須等于或 臨界角.(3)臨界角定義：光從某種介質(zhì)射向真空或空氣時(shí)使折射角變?yōu)?0時(shí)的 ，稱作這種介質(zhì)的臨界角.臨界角C與折射率n的關(guān)系：sin C_.光密光疏大于入射角二、全反射的應(yīng)用二、全反射的應(yīng)用光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維1.光纖的工作原理：由于有機(jī)玻璃的折射率 空氣的折射率，當(dāng)光從有機(jī)玻璃棒的一端射入時(shí)，可以沿著有機(jī)玻璃棒的表面發(fā)生多次 ，從另一端射出.2.光導(dǎo)纖維的構(gòu)造：由兩種折射率不同的玻璃制成，分內(nèi)、外兩層，內(nèi)層玻璃的折射率比外層玻璃的折射率 .當(dāng)光從一端進(jìn)入光纖時(shí)，將會(huì)在兩層玻璃的界面上發(fā)生 .3.光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是容量 、衰減 、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高.4.應(yīng)用：光纖通信；醫(yī)學(xué)上的 .大于全反射大全反射大小內(nèi)窺鏡1.判斷下列說法的正誤.(1)入射角大于臨界角就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象.()(2)光密介質(zhì)是指密度大的介質(zhì).()(3)光在光導(dǎo)纖維中的傳播速度小于光在真空中的光速c.()即學(xué)即用即學(xué)即用答案2.一束光從某介質(zhì)進(jìn)入真空，方向如圖1所示，則該介質(zhì)的折射率為_；逐漸增大入射角，光線將_(填“能”或“不能”)發(fā)生全反射；若使光發(fā)生全反射，應(yīng)使光從_射入_，且入射角大于等于_.答案圖1能介質(zhì)真空45重點(diǎn)探究一、全反射導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究當(dāng)光從水中射向與玻璃的交界面時(shí)，只要入射角足夠大就會(huì)發(fā)生全反射，這種說法正確嗎？為什么？答案答案不正確.要發(fā)生全反射必須是光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì).而水相對(duì)玻璃是光疏介質(zhì)，所以不管入射角多大都不可能發(fā)生全反射.答案知識(shí)深化知識(shí)深化發(fā)生全反射的條件發(fā)生全反射的條件(1)光從光密介質(zhì)射至光疏介質(zhì).(2)入射角大于或等于臨界角.以上兩個(gè)條件缺一不可.解析解析由題意知，光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，由sin C 得C45160，故在兩介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生全反射，只有反射光線，沒有折射光線，故選項(xiàng)D正確.例例1某種介質(zhì)對(duì)空氣的折射率是 ，一束光從該介質(zhì)射向空氣，入射角是60，則下列光路圖中正確的是(圖中為空氣，為介質(zhì))答案解析總結(jié)提升總結(jié)提升全反射遵循的規(guī)律：發(fā)生全反射時(shí)，光全部返回原介質(zhì)，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.二、全反射的應(yīng)用光導(dǎo)纖維導(dǎo)學(xué)探究導(dǎo)學(xué)探究 如圖2所示是光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)芯和外套由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)構(gòu)成.構(gòu)成內(nèi)芯和外套的兩種介質(zhì)，哪個(gè)折射率大？為什么？答案答案內(nèi)芯的折射率大.因?yàn)楫?dāng)內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率時(shí)，光在傳播時(shí)能發(fā)生全反射，光線經(jīng)過多次全反射后能從一端傳到另一端.答案圖2例例2如圖3所示，AB為光導(dǎo)纖維，A、B之間距離為s，使一光脈沖信號(hào)從光導(dǎo)纖維中間入射，射入后在光導(dǎo)纖維與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射，由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時(shí)間為t，求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率.(已知光在真空中的傳播速度為c)答案圖3解析解析解析設(shè)光導(dǎo)纖維所用材料的折射率為n，則有總結(jié)提升總結(jié)提升注意挖掘題目中隱含條件，“恰好”“剛好”暗含的條件是入射角等于臨界角.三、全反射的定量計(jì)算解決全反射問題的思路解決全反射問題的思路(1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì).(2)若光由介質(zhì)進(jìn)入空氣(真空)時(shí)，則根據(jù)sin C 確定臨界角，看是否發(fā)生全反射.(3)根據(jù)題設(shè)條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”.(4)運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行判斷推理，運(yùn)算及變換進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析或定量計(jì)算.例例3一厚度為h的大平板玻璃水平放置，其下表面貼有一半徑為r的圓形發(fā)光面.在玻璃板上表面放置一半徑為R的圓紙片，圓紙片與圓形發(fā)光面的中心在同一豎直線上.已知圓紙片恰好能完全遮擋住從圓形發(fā)光面發(fā)出的光線(不考慮反射)，求平板玻璃的折射率.答案解析解析解析如圖所示，從圓形發(fā)光面邊緣的A點(diǎn)發(fā)出的一條光線射到玻璃上表面A點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，其中LRr答案答案45 例例4如圖4所示，折射率n 的透明介質(zhì)的橫截面由等腰直角三角形AOC和圓心為O、半徑為R的四分之一圓弧BC組成，一束單色光從M點(diǎn)以45入射角由真空射入透明介質(zhì)中，已知M點(diǎn)與AB之間距離為 光在真空中的傳播速度為c，求：答案解析圖4(1)這種透明介質(zhì)對(duì)于真空的臨界角C；答案答案見解析圖(2)通過計(jì)算，畫出光在透明介質(zhì)中傳播的光路圖；答案解析由幾何關(guān)系知，30，45.因C，光在AC界面發(fā)生全反射，垂直AB射出介質(zhì)，光路如圖所示由幾何關(guān)系知，光在介質(zhì)中傳播的距離dRcos R(3)單色光在透明介質(zhì)中的傳播時(shí)間(有光折射時(shí)，不考慮反射).答案解析達(dá)標(biāo)檢測(cè)12341.(對(duì)全反射的理解對(duì)全反射的理解)(多選)如圖5所示，半圓形玻璃磚放在空氣中，三條同一顏色、強(qiáng)度相同的光線，均由空氣沿半圓半徑方向射入玻璃磚，到達(dá)玻璃磚的圓心位置.下列說法正確的是答案解析A.假若三條光線中只有一條在O點(diǎn)發(fā)生了全反射，那一定是aO光線B.假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線cO一定能發(fā)生全反射C.假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線aO一定能發(fā)生全反射D.假若光線aO恰能發(fā)生全反射，那么光線bO的反射光線比光線cO的反 射光線的亮度大圖51234解析解析在玻璃磚直徑界面，光線aO的入射角最大，光線cO的入射角最小，它們都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，都有發(fā)生全反射的可能.如果只有一條光線發(fā)生了全反射，那一定是aO光線，因?yàn)樗娜肷浣亲畲?，所以選項(xiàng)A對(duì)；假若光線bO能發(fā)生全反射，說明它的入射角等于或大于臨界角，光線aO的入射角更大，所以，光線aO一定能發(fā)生全反射，光線cO的入射角可能大于或等于臨界角，也可能小于臨界角，因此，光線cO不一定能發(fā)生全反射，所以選項(xiàng)B錯(cuò)，C對(duì)；假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO和光線cO都不能發(fā)生全反射，但光線bO的入射角更接近于臨界角，所以，光線bO的反射光線較光線cO的反射光線強(qiáng)，即光線bO的反射光線亮度較大，所以選項(xiàng)D對(duì). 12342.(全反射的應(yīng)用全反射的應(yīng)用光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維)如圖6所示是兩個(gè)城市間光纜中的一條光導(dǎo)纖維的一段，光纜總長(zhǎng)為L(zhǎng)，它的玻璃芯的折射率為n1，外層材料的折射率為n2.若光在空氣中的傳播速度近似為c，則對(duì)于光由它的一端射入經(jīng)多次全反射后從另一端射出的過程，下列判斷中正確的是 答案解析圖612341234答案解析3.(全反射的定量計(jì)算全反射的定量計(jì)算)用某種透明材料制成的一塊柱體形棱鏡的水平截面圖如圖7所示，左側(cè)ABOD為長(zhǎng)方形，右側(cè)DOF為以O(shè)為圓心的 圓.光線從真空以入射角160射到棱鏡AB面，經(jīng)折射后，光線到達(dá)BF面上的O點(diǎn)并恰好不從BF面射出.(1)畫出光路圖；圖7答案答案見解析圖 解析解析光路圖如圖所示 1234(2)求該棱鏡的折射率n和光線在棱鏡中傳播的速度大小v(光在真空中的傳播速度c3108 m/s).答案解析1234由圖可知，2C90解析解析設(shè)光線在AB面的折射角為2，折射光線與OD的夾角為C，12344.(全反射的定量計(jì)算全反射的定量計(jì)算)如圖8所示，折射率n 半徑為R的透明球體固定在水平地面上，O為球心，其底部P點(diǎn)有一點(diǎn)光源，過透明球體的頂點(diǎn)Q有一足夠大的水平光屏.真空中光速為c，求：(1)光從P點(diǎn)到Q點(diǎn)的傳播時(shí)間t；答案解析圖81234光屏上光照面是以Q為圓心，以QM為半徑的圓，(2)若不考慮光在透明球體中的反射影響，光屏上光照面積S的大小.答案解析答案答案3R2光屏上光照面積Sr23R2