4.3 光的全反射&4.4 光导纤维及其应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019）

第3节　光的全反射 第4节　光导纤维及其应用 核心 素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念。 2．能理解光的折射定律的内涵，了解光的全反射现象等；能解释身边光的折射与全反射现象，说明光纤技术在生产生活中的应用；具有与光的折射和全反射相关的运动与相互作用观念和能量观念。 能利用光路图、几何关系解决光的全反射问题。 探究全反射发生的条件。 通过光纤技术的应用，能体会物理技术应用对人类生活与社会发展的影响；有学习物理、服务社会的志趣；能为科学家在光纤方面的伟大成果而感到自豪。 [对应学生用书P78] 知识点一 全反射及其产生条件 1.全反射：光从某种介质入射到空气中时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射光完全消失，全部光都被反射回介质内的现象。 2．临界角：刚好发生全反射(即折射角变为90°)时的入射角。临界角C满足sin C＝。 3．光疏介质和光密介质❶：对两种不同的介质，折射率较小的介质叫作光疏介质，折射率较大的介质叫作光密介质。 4．发生全反射的条件：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角。 1．水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质。(　　×　　) 2．光从水中射入空气中时，一定能发生全反射。(　　×　　) 3．光密介质，是指介质的折射率大，但密度不一定大。(　　√　　) 知识点二 全反射现象 1.生活现象 (1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是由于光射到气泡上发生了全反射。 (2)太阳射到沙地里，接近地面的热空气比上层空气的折射率小。从远处物体射向地面的光，进入折射率较小的热空气层时被折射。当入射角大于临界角时发生全反射，人们逆着反射光看去，就会看到远处物体的倒影。 2．全反射棱镜 (1)形状：截面为等腰直角三角形。 (2)光学特性 ①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生全反射，光射出棱镜时，传播方向改变了90°❷。 ②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180°❸。 1．早晨露珠晶莹透亮，是因为光在露珠中发生了全反射。(　　√　　) 2．全反射棱镜的临界角可以大于45°。(　　×　　) 3．全反射棱镜应用于“潜望镜”，以便从水底观察水面上的情况。(　　√　　) 知识点三 光导纤维及其应用 1.构造：把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，再包上折射率比它小的材料，就制成了光导纤维❹，简称光纤。 2．原理：利用了光的全反射。 3．光纤通信：光纤通信中，先将传送的信息转换为光信号，通过光纤将光信号传输到接收端，接收端再将光信号还原为原信息。光纤网是信息社会的重要基石，“光纤到户”是信息社会的重要标志。 1．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．光纤通信的主要优点是容量大。(　　√　　) 批注❶：光疏介质和光密介质 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 批注❷： 批注❸： 批注❹：结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播。光导纤维中外套的折射率小于内芯的折射率。 [对应学生用书P80] 探究点一　对全反射现象的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 使用激光演示仪，仔细观察全反射现象的演示实验，探究分析以下几个问题： (1)光由玻璃射入空气，仔细观察实验现象，当入射角增大时，反射光线和折射光线的位置和强度如何变化？ 提示：光由玻璃射入空气，由图可以看出，当入射角增大时，反射光线和折射光线与法线的夹角越来越大，反射光越来越强，折射光越来越弱。当折射角增大到90°时，若再增大入射角，折射光线会消失，只剩反射光线，反射光线的强度也不再发生变化(发生全反射)。 (2)光由空气射入玻璃，仔细观察实验现象，当入射角增大时，是否能够发生全反射现象？为什么？ 提示：光由空气射入玻璃，由图可以看出，当入射角增大时，不能发生全反射现象，这是因为光只有从折射率较大的介质射入折射率较小的介质时，才能发生全反射现象。 (3)临界角是怎样计算的？ 提示：刚发生全反射时，入射角即为临界角C，折射角为90°，由折射率定义得n＝＝，所以sin C＝。 ►探究归纳 1．全反射规律 (1)全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质；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。 2．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，频率越高的光临界角越小，越易发生全反射。 ►对点例练 一个半径为r的薄软木圆片，在它的圆心处插入一枚大头针，让它们浮在水面上，如图所示。调整大头针露出的长度，直至从水面上方的各个方向向水中看时，都恰好看不到大头针，这是因为发生了________现象。若此时木片下方大头针的长度为h，则水的折射率为________。 答案：全反射　 解析：观察者在水面上各个方向都刚好看不到水下的大头针，说明由针头射出的光，恰好在水面与木片的边缘处发生全反射；由题意作出光路图如图所示，这时入射角等于临界角，由几何关系可得sin C＝，又因为sin C＝，由以上两式解得，该液体的折射率n＝。 [练1] (2021·天津南开中学高二期末)如图所示，两单色光Ⅰ、Ⅱ分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射时合成一束复色光Ⅲ。已知单色光Ⅰ、Ⅱ与法线间的夹角分别为45°和30°。则关于单色光Ⅰ与Ⅱ，下列说法正确的是(　　) A．在玻璃砖中的折射率之比nⅠ∶nⅡ＝∶1 B．在玻璃砖中的传播时间之比tⅠ∶tⅡ＝1∶ C．在玻璃砖中的波长之比λⅠ∶λⅡ＝∶1 D．由该玻璃砖射向真空时，两色光临界角的正弦之比sin CⅠ∶sin CⅡ＝1∶ B　解析：单色光Ⅰ与Ⅱ在玻璃砖中的折射率之比nⅠ∶nⅡ＝∶＝1∶，A错误；根据v＝，t＝， 可得单色光Ⅰ与Ⅱ在玻璃砖中的传播时间之比tⅠ∶tⅡ＝nⅠ∶nⅡ＝1∶，B正确；单色光Ⅰ的频率小于单色光Ⅱ，则f2>f1，根据v＝，λ＝，得λ＝，可得λⅠ∶λⅡ＝nⅡf2∶nⅠf1>∶1，C错误；临界角公式sin C＝，可得sin CⅠ∶sin CⅡ＝nⅡ∶nⅠ＝∶1，D错误。 分析光的全反射、临界角问题的一般思路 (1)画出恰好发生全反射时的光路图。 (2)利用几何知识分析线、角关系，找出临界角。 (3)以刚好发生全反射的光线为比较对象，来判断某光线是否发生全反射，从而画出其他光线的光路图。 探究点二　光导纤维的应用　(科学思维之提升) ►情境探究 光导纤维的结构示意图如图所示，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成。 (1)分别构成内芯和外套的这两种介质，哪一个的折射率更大？为什么？ 提示：内芯介质的折射率更大。因为当内芯介质的折射率大于外套介质的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后可以从一端传到另一端。 (2)光纤通信是光导纤维的一个主要应用，该应用有何优点？ 提示：光纤通信的主要优点是：容量大、衰减小、抗干扰性强。 ►探究归纳 1．光导纤维的传播原理 光由一端进入，在外套与内芯的交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，进而变为声音、图像。如果把许多光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传播图像。 2．光导纤维的折射率 设光导纤维内芯的折射率为n，置于真空当中，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面恰好发生全反射，如图所示，则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°。由以上各式可得sin θ1＝ 。由图可知，当θ1增大时，θ2增大，而从纤维内芯射向真空的光线入射角θ减小，所以当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维内芯中的光线都能发生全反射，解得n＝，这就是光从纤维内芯射向真空时得到的折射率，说明光导纤维内芯的折射率至少为，才能将进入端面的光线全部传至另一端。由于光导纤维内芯包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维的折射率要比大些。 ►对点例练 (2021·江西南昌第一中学)2020年11月6日消息，“电子商务进农村”实现对832个贫困县全覆盖，贫困村通光纤比例已达98%。如图所示，光导纤维的内芯是由某种透明介质制成的长直细圆柱体，有某种单色光在此介质中传输，经过多次全反射后从右端射出。若以全反射临界角传输的光线刚好从右端以张角2θ射出，光在真空中的传播速度为c。 (1)求此介质的折射率n。 (2)若用此光导纤维制成的光缆长为L，求该种单色光传输的时间t。 答案：(1)n＝　(2)t＝ 解析：(1)依题意，画出光路图如图所示： 由光的折射定律得＝n， 又因为sin α＝， 所以sin β＝cos α＝＝， 解得n＝。 (2)该单色光在光纤中的传播速度为v＝， 在传输方向上的分量为v1＝v·sin α＝， 因此传输的时间为t＝＝。 [练2] (2021·辽宁高考真题)一束复色光从空气射入光导纤维后，分成a、b两束单色光，各自的光路如图所示。比较内芯中的a、b两束光，a光的(　　) A．频率小，发生全反射的临界角小 B．频率大，发生全反射的临界角小 C．频率小，发生全反射的临界角大 D．频率大，发生全反射的临界角大 C　解析：由光路图可知，a光的偏折程度没有b光的大，因此a光的折射率小，即频率小；而由全反射公式sin C＝可知，折射率越小，发生全反射的临界角越大，C正确。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (生活情景)夏天，海面上方下层空气的温度比上层空气的温度低。可以设想：海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成的；景物发出的光线由于不断被折射，越来越偏离原来的方向，人们逆着光线看去就出现了蜃景，如图所示。则下列说法正确的是(　　) A．蜃景是景物由于海平面对光的反射所成的像 B．海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率大 C．A是蜃景，B是景物 D．B是蜃景，A是景物 C　解析：当大气层比较平静时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小，所以海面上方下层空气的温度比上层空气的温度低，下层空气的折射率比上层的大；远处的景物发出的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较低的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角大到临界角时，就会发生全反射现象，在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像，这就是海市蜃楼的景象，C正确。 海市蜃楼 (1)气候条件：当大气比较平静且海面上方的下层空气与上层空气温差较大时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小。因为海面上的空气温度比空中低，所以空气下层的折射率比上层大，我们可以粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层，如图所示。 (2)光路分析：远处的景物反射的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较小的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角增大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层通过空气的折射逐渐返回折射率较大的下一层。 (3)虚像的形成：当光线进入人的眼睛时，人总认为光是从其反向延长线方向发射而来的，所以地面附近的观察者就可以观察到虚像，且虚像成像于远处的半空中，这就是海市蜃楼，如图所示。 学科网（北京）股份有限公司 $$