4.3 全反射(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

第3节　全反射 （见学生用书P87） 　　[学习目标]1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念（物理观念）.2.会利用全反射的条件分析和计算有关问题（科学思维）.3.了解全反射棱镜和光导纤维在生产生活中的应用（科学态度与责任）. 知识点 1　全反射 1.光疏介质与光密介质 光疏介质 光密介质 定义 折射率相对较　小　的介质 折射率相对较　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 光从光疏介质射入光密介质时，折射角　小于　入射角 光从光密介质射入光疏介质时，折射角　大于　入射角 注意：光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对意义，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. 2.全反射 （1）全反射及临界角的概念 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　光线就会完全消失，只剩下　反射　光线的现象. ②临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的　入射　角，用字母C表示. （2）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. （3）临界角与折射率的关系 光由介质射入空气（或真空）时，sin C＝　　　　　　　　（公式）. 注意：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. 知识点 2　全反射棱镜与光导纤维 1.全反射棱镜 （1）概念：截面为　等腰直角三角形　的棱镜. （2）全反射棱镜的特点 ①当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生　全反射　，与平面镜相比，它的反射率很高. ②反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真　小　. 2.光导纤维 （1）工作原理：光在玻璃纤维内发生　全反射　，光沿锯齿形路线传播. （2）构造：由内芯和外套两层组成，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　（如图所示）. （3）用途：光作为载体来传递声音、图像及各种数字信号，实现光纤通信.光纤通信的优点是容量　大　、衰减　小　、抗干扰性强等.光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的　内窥　镜等. 1.判断下列说法的正误. （1）光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象.（　×　） （2）发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线.（　×　） （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）光在光纤中传播时，在内芯与外套的界面上发生全反射.（　√　） 2.一束光从某介质进入真空，方向如图所示，则该介质的折射率为　　　　　　　　；逐渐增大入射角，光线　能　（选填“能”或“不能”）发生全反射；若使光发生全反射，应使光从　介质　射入　真空　，且入射角大于等于　45°　. 考点 1　对全反射的理解 【情境导学】夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，水中的气泡看上去也特别明亮，这是什么原因呢？ 答案：当光照射露珠或照射水中的气泡时，一部分光会发生全反射，会有更多的光反射到人的眼睛，人就会感觉特别明亮. 1.光疏介质和光密介质 （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断谁是光疏介质或光密介质. （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. 2.全反射 （1）发生全反射的条件： ①光由光密介质射入光疏介质. ②入射角大于或等于临界角. （2）当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，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，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光线的能量等于入射光的能量. 【例题1】（多选）如图所示，一束平行光从真空射向一块半圆形的玻璃砖，下列说法正确的是（　　） A.只有圆心两侧一定范围内的光线不能通过玻璃砖 B.只有圆心两侧一定范围内的光线能通过玻璃砖 C.通过圆心的光线将沿直线穿过不发生偏折 D.圆心两侧一定范围外的光线将在曲面发生全反射 思维导引：光由真空垂直射向玻璃砖时，光线不偏折，仍沿原方向射向玻璃与真空的分界面，且由中心向两侧的入射光线的入射角逐渐增大. 答案：BCD　 解析：垂直射向界面的光线不偏折，因而光线沿直线平行射到半圆面上，其中通过圆心的光线将沿直线穿过玻璃砖，不发生偏折，入射角为零，由中心向外的光线，在半圆面上进入真空时的入射角逐渐增大并趋近90°角，且折射角一定大于入射角，所以一定会发生全反射，选项A错误，B、C、D正确. 【变式1】光线由某种介质射向与空气的分界面，当入射角增大到45°时折射光线恰好消失，则这种介质的折射率是（　　） A. B. C. D.2 答案：B　 解析：入射角增大到45°时，折射光线恰好消失，则这种介质的临界角C＝45°，所以折射率n＝＝，选项B正确. 考点 2　全反射的应用 【情境导学】如图所示，自行车后面有尾灯.它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车.那么自行车的尾灯利用了什么原理？ 答案：全反射. 1.全反射棱镜改变光路的几种情况 入射方式 项目 方式一 方式二 方式三 光路图 入射面 AB AC AB 全反射面 AC AB、BC AC 光线方向 改变角度 90° 180° 0°（发生侧移） 2.光导纤维的传播原理 光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而转变为声音、图像. 3.光导纤维的折射率 设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入光导纤维的光线传到侧面恰好发生全反射，由图可知：当θ1增大时，θ2增大，由光导纤维射向空气的光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射，则有：sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝，解得n＝. 以上是光从光导纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比大些. 【例题2】如图所示，透明光学材料制成的棱镜的截面为等腰直角三角形，其折射率为n＝.一束波长为564 nm的单色光平行于底面射向棱镜，入射点为O，O、C间距离大于AC. （1）求此单色光在棱镜中的波长（≈1.41）； （2）这束光首先从哪个面射出？出射光线的方向如何？写出计算过程并画出光路图. 解析：（1）由速度、波长与频率之间的关系可得c＝λf，v＝λ'f，v＝，则光在棱镜中的波长为λ'＝＝ nm＝400 nm. （2）光路图如图所示，光在AC面发生折射，入射角为θ1＝45°，由折射定律可得n＝＝，解得折射角为θ2＝30°.由于O点到C点的距离大于AC，根据几何关系可知光线会射向AB面，在AB面的入射角为θ3＝90°－（θ1－θ2）＝75°，由临界角公式得sin C＝＝，解得临界角为C＝45°，因入射角大于临界角，故光在AB面发生全反射.光经AB面反射后射向BC面，由几何关系可得在BC面上的入射角为θ4＝θ2＝30°，由折射定律可得n＝＝，解得折射角为θ5＝45°，即光首先从BC面射出，方向与AB面平行. 答案：（1）400 nm　（2）BC面　与AB面平行　计算过程见解析，光路图如解析图所示 【变式2】如图所示，一玻璃工件折射率为n，左侧是半径为R的半球体，右侧是长为8R、直径为2R的圆柱体，一细光束频率为f，沿半球体半径方向射入工件，最终这束光都能到达圆柱体的右端面，忽略光在圆柱体端面的反射，已知光在真空中的传播速度为c.求： （1）光在玻璃工件中的波长； （2）光在工件中传播的最长时间. 解析：（1）光在玻璃工件中的速度v＝， 波长λ＝， 解得光在玻璃工件中的波长λ＝. （2）设光在圆柱体中发生全反射时的入射角为α，传播到右端面的路程为s， 则sin α＝， 光在工件中传播的时间t＝， 即t＝（＋1）， 当α为最小值时，t有最大值，此时sin α＝， 故tmax＝. 答案：（1）　（2） 1.（对全反射的理解）关于全反射，下列叙述正确的是（　　） A.发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱 B.光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象 C.光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象 D.光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象 答案：C　 解析：发生全反射时折射光线消失，选项A错误；发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，二者缺一不可，选项B、D错误，C正确. 2.（全反射的应用）空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示.方框内有两个折射率n＝1.5的全反射玻璃棱镜，下列选项给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生图中效果的是（　　） A B C D 答案：B　 解析：四个选项的光路图如图所示，由图可知，选项B正确. 3.（全反射的应用）光导纤维的结构如图所示，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.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折射 D.内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用 答案：A　 解析：光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率，光由内芯射向外套时，在界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，选项A正确. 4.（全反射的应用）如图所示，某L形透明材料的折射率n＝2.现沿AB方向切去一角，AB与水平方向的夹角为θ.为使水平方向的光线射到AB面时不会射入空气，求θ的最大值. 解析：要使光线不会射入空气，即发生全反射，设临界角为C，有sin C＝， 由几何关系得C＋θ＝90°， 联立解得θ＝60°. 答案：60° 学科网（北京）股份有限公司 $$