第四章 第三节 光的全反射与光纤技术（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材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 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道全反射现象，知道光疏介质、光密介质以及临界角的概念． 2．知道全反射棱镜，光导纤维的原理和用途． 3．会应用光的折射定律和光的全反射解决问题. 1.物理观念：全反射，临界角． 2．科学思维：应用光的全反射分析物理问题． 3．科学探究：探究全反射的临界角． 4．科学态度与责任：全反射在棱镜、光导纤维方面的应用和实际意义. 一、光的全反射现象 1．光疏介质和光密介质 名称 项目　　 光疏介质 光密介质 定义 折射率较小的介质 折射率较大的介质 传播速度 光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小 折射特点 (1)光从光疏介质射入光密介质时， 折射角小于入射角 (2)光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角 2.全反射及临界角 (1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光的现象． (2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角． 3．全反射的条件 要发生全反射，必须同时具备两个条件： (1)光从光密介质射入光疏介质． (2)入射角等于或大于临界角． 4．临界角与折射率的关系 光由介质射入空气(或真空)时，sin ic＝(公式)． [思考] (1)水是光密介质还是光疏介质？ 提示　光密介质和光疏介质是相对的，与折射率大的比是光疏介质，如与水晶相比；与折射率小的比是光密介质，如与空气相比． (2)为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？ 提示　水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮． 二、光导纤维的工作原理 1．原理：利用了光的全反射． 2．构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外层透明介质两层组成．内芯的折射率比外层的大，光传播时在内芯与外层的界面上发生全反射． [判断] (1)光密介质就是密度较大的介质．(×) (2)光从水中射入空气中时一定能发生全反射．(×) (3)光纤通信的主要优点是容量大．(√) 探究点一　光的全反射现象的理解和分析方法 如图所示，光由玻璃斜射向空气，若逐渐增加入射角，当入射角增大到一定程度后将出现折射光消失的现象，这种现象叫作全反射．请问：要想出现这种现象必须具备什么条件？ 提示　由图可知，必须同时具备两个条件： ①入射角足够大； ②光由折射率大的介质射向折射率小的介质． 1．光密介质和光疏介质 (1)光疏介质和光密介质的比较 光的传播速度 折射率 光疏介质 大 小 光密介质 小 大 (2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的．任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判定谁是光疏介质或光密介质． 2．全反射现象的分析 (1)临界角 ①定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角为全反射的临界角． ②表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰好等于90°，n＝，即sin ic＝. ③不同色光的临界角：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)全反射的条件 ①光由光密介质射向光疏介质． ②入射角大于或等于临界角． (3)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． 如图，平静湖面岸边的垂钓者，眼睛恰好位于岸边P点正上方h1＝0.9 m的高度处，浮标Q离P点S1＝1.2 m远，PQ水平，鱼饵灯M在浮标正前方S2＝1.8 m处的水下，垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住，已知鱼饵灯离水面的深度h2＝2.4 m，求： (1)水的折射率n； (2)若让鱼饵灯继续缓慢竖直下沉至恰好有光线从P处射出，则下沉距离Δh多大？(＝2.6) 解析　(1)设空气中和水中的角分别为i、γ则有： sin i＝，sin γ＝ 根据光的折射定律可知n＝， 联立并代入数据得：n＝ (2)当光线恰好从P处射出时，鱼饵灯与P点的连线和竖直方向夹角为临界角ic，则有sin ic＝，又sin ic＝，得Δh＝(－2.4) m≈0.2 m 答案　(1)　(2)0.2 m [训练1]　平行光垂直射向一半径为R的透明介质半球的平面，其截面如图所示，发现只有P、Q之间所对圆心角为60°的球面上有光射出，已知光在真空中的传播速度为c＝3.0×108 m/s，求： (1)介质球对该入射光的折射率； (2)该光在介质球中的传播速度． 解析　(1)由题意知光在介质球界面处的临界角为 C＝30°由sin ic＝得n＝＝2 (2)光在介质