第4章 第3节 光的全反射与光纤技术（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第三节　光的全反射与光纤技术 核心素养导学 物理观念 (1)知道全反射现象，理解光疏介质、光密介质和临界角的概念。 (2)知道光导纤维和光纤通信。 科学思维 (1)掌握全反射产生的条件，能画出全反射光路图，解决全反射问题。 (2)会分析光导纤维问题。 科学态度与责任 体会光学技术在生产、生活和科学技术上的应用，培养将所学知识应用于生产和生活中的意识。 一、光的全反射现象 1．光密介质和光疏介质：折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质。光密介质和光疏介质是相对的。 2．光的全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角且随入射角的增大而增大，当入射角达到一定角度，折射角变成90°，继续增大入射角，折射角将大于90°，此时入射光线全部被反射回光密介质中。 3．临界角：折射角等于90°时的入射角，记作ic。sin ic＝。 4．发生光的全反射的两个必要条件 (1)光线从光密介质射入光疏介质。 (2)入射角大于或等于临界角。 (1)不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越容易发生全反射。 (2)相对于相同两种介质的界面，紫光的临界角最小、红光的临界角最大。　　 二、光导纤维的工作原理和应用 1．原理：利用了光的全反射。 2．构造：光导纤维简称光纤，沿垂直光纤轴向的两层结构，外层的折射率小于内层的折射率，当光在其中传输时，发生全反射。 3．应用 (1)医学上用来检查人体消化道的内窥镜就利用了许多光纤组合成的光缆。 (2)光纤通信就是利用光纤传递信息的，其优点是：容量大，衰减小、抗干扰性强。 1.图甲中荷叶上晶莹透亮的小水珠、图乙中水里的小气泡、图丙中玻璃玩具里的小气泡看上去格外明亮，这种现象属于光的全反射现象，试判断甲、乙、丙三图中光疏介质和光密介质。 图例 光疏介质 光密介质 甲 空气 水 乙 气泡中的空气 水 丙 气泡中的空气 玻璃 2．如图，内芯的折射率为n1，外套的折射率为n2。 (1)光线在内芯和外套的界面上发生了什么现象？ (2)n1和n2的大小存在什么关系？ 提示：(1)发生了光的全反射现象。 (2)n1＞n2。 新知学习(一)|全反射现象的分析 [任务驱动] 如图，让一束光沿着半圆形玻璃砖的半径射向玻璃砖，在底面上光发生反射和折射，逐渐增大入射角，为什么折射光线消失，只有反射光线？ 提示：因为入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象。　　　 [重点释解] 1．判断全反射问题的方法 (1)确定光是从光密介质进入光疏介质。 (2)明确入射角大于等于临界角。 2．全反射遵循的规律 发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用。 3．从能量角度来理解全反射 当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角的增大，折射角也增大。同时折射光线强度减弱，即折射光线的能量减小，反射光线的能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线消失，反射光的能量等于入射光的能量。 [典例体验] [典例]　(2022·广东高考)一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。 [解析]　当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束，说明光恰好发生全反射，其临界角为C＝45° 由sin C＝ 解得n＝ 该激光在液体中的传播速度 v＝＝c。 [答案]　c /方法技巧/ 解决全反射问题的思路 (1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。 (2)若由光密介质进入光疏介质时，则根据sin ic＝确定临界角，看是否发生全反射。 (3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。 (4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理，进行动态分析或定量计算。 [针对训练] 1．(2022·辽宁高考)完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮。2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球。如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球。下列说法正确的是(　 ) A．此单色光从空气进入水球，频率一定变大 B．此单色光从空气进入水球，频率一定变小 C．若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射 D．若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射 解析：选C　光在不同介质中传播过程中频率不变，故A、B错误；如图所示，光