(讲义)第4章 第3节 光的全反射与光纤技术-【提分教练】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 1．理解全反射现象和临界角的概念，知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件． 2．能用光线模型探索生活中光的全反射现象． 3．了解光导纤维的工作原理及其应用． 4．能从不同角度思考光传播的问题． 知识点一　光的全反射现象 1．光疏介质和光密介质 (1)光疏介质：折射率较小(选填“大”或“小”)的介质． (2)光密介质：折射率较大(选填“大”或“小”)的介质． (3)光疏介质与光密介质是相对(选填“相对”或“绝对”)的． 2．光的全反射 当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大．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，入射光线全都被反射回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射． 3．临界角 刚好发生全反射，折射角等于90°时的入射角，称为临界角，记作ic．光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角ic与介质的折射率n的关系是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)入射角等于或大于临界角． 知识点二　光导纤维的工作原理 1．光纤及原理 光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端，其原理就是利用了光的全反射． 2．光纤的构造 光纤用的是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，光纤由纤芯和包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射． 知识点三　光纤技术的实际应用 1．光缆可以用来传送图像，医学上用来检查人体消化道的内窥镜就是利用了这种性质． 2．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络进入千家万户． 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)． (1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象． (×) (2)光密介质，是指介质的折射率大，密度不一定大． (√) (3)鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，是由于光射到气泡上发生了全反射． (√) (4)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成． (×) 2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是(　　) A．从水晶射入玻璃　　　 B．从水射入二硫化碳 C．从玻璃射入水中 D．从水射入水晶 C　[发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故只有C正确．] 3．华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通信之父”．光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．下列关于光导纤维的说法中正确的是(　　) A．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射 B．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射 C．波长越短的光在光纤中传播的速度越大 D．频率越大的光在光纤中传播的速度越大 A　[光纤内芯比外套折射率大，光在内芯与外套的界面上发生全反射，A正确，B错误；频率大的光波长短，折射率大，在光纤中传播速度小，C、D错误．] 光照到两种介质界面处，发生了如图所示的现象． (1)上面的介质与下面的介质哪个折射率大？ (2)全反射发生的条件是什么？ 提示：(1)下面的介质折射率大． (2)一是光由光密介质射入光疏介质；二是入射角大于等于临界角． 　全反射 1．对光疏介质和光密介质的理解 (1)光疏介质和光密介质的比较： 介质种类 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断谁是光疏介质或光密介质． 2．全反射规律 (1)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． (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)光疏和光密是从介质的光学特性来说的，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质． 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，越易发生全反射，说明频率越高的色光在同一种介质中的折射率越大． 【典例1】　一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面．在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上．已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求平板玻璃的折射率． [思路点拨]　(1)由圆纸片恰好完全挡住圆形发光面的光线可