4.2全反射 课件-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

第四章 光 第2节 全反射 目录 主题(二) 全反射 主题(三) 全反射棱镜 主题(一) 光疏与光密介质 第2节 全反射 主题(四) 光导纤维 新课引入:观察水中气泡和叶子上的露珠有什么特点？ 水中的气泡和叶子上的露珠看起来特别明亮；为什么？ 说明照向气泡或露珠的光的有反射回来的进入了人眼。 n水= 玻璃:光密介质 水：光疏介质 水 玻璃 新课引入:设想一列光由玻璃照向水会发生什么情况？ θ1 θ2 = V玻 ___V水 n玻= n玻 ___n水 > < 1.定义: 折射率较小的称为光疏介质，反之为光密介质。 一、光疏与光密介质 2.特点: ②光疏介质中，n小、光速快，角度大。 ①光疏、光密是相对的。 ③光疏和光密并不是它的密度大小。 介质 折射率 介质 折射率 金刚石 2.42 氯化钠 1.54 二硫化碳 1.63 酒精 1.36 玻璃 1.5-1.8 水 1.33 水晶 1.55 空气 1.00028 思考1：光由光密射向光疏，且入射角不断增大会如何？ 水 玻璃 θ1 θ2 思考1：光由光密射向光疏，且入射角不断增大会如何？ 光由光密射向光疏时，不发生折射全部反射的现象 玻璃 真空 二、全反射 2.临界角C: 3.条件: ①从光密射入光疏介质 ②入射角大于或等于C 射向真空的折射角恰等于900角时的入射角 n= 1.定义: = 【典例1】一束由a、b两种单色光组成的复色光从水中射入空气中，并分成a、b两束，下列关于a、b两束单色光的说法正确的是（　　） A．若水中入射光SA的入射角不断增大， 则a光先发生全反射 B．a光的折射率比b光的折射大 C．在真空中a光的速度比b光大 D．在水中a光的传播速度比b光的大 D 三、全反射棱镜 介质 水 玻璃 金刚石 折射率n 1.33 1.5~1.9 2.42 临界角C 48.8 ° 32 °~ 42 ° 24.4 ° 45 45 45 45 45 45 变化90 ° 变化180 ° 与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达 100%。这种棱镜在光学仪器中可用来改变光的方向。 三、全反射棱镜 1.定义：截面为等腰直角三角形的棱镜 2.应用： ①双筒望远镜 ②潜望镜 三、全反射棱镜 1.定义：截面为等腰直角三角形的棱镜 2.应用： ①双筒望远镜 ②潜望镜 三、全反射棱镜 1.定义：截面为等腰直角三角形的棱镜 2.应用： ①双筒望远镜 ③自行车尾灯 对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像． 思考2：玻璃能让光在玻璃里全反射，能不能让光一直在玻璃中全反射？ 让光从一条很长的玻璃里，从一端跑到另一端？ 三、全反射棱镜 高锟(1933-2018) 1966 年，33岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维（optical fiber）已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了全反射。 四、光导纤维 当光在有机玻璃棒内传播时，如果从有机玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在有机玻璃棒内沿着锯齿形路线传播。这就是光导纤维导光的原理。 实用光导纤维的直径只有几微米到一百微米。因为很细，一定程度上可以弯折。它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。 四、光导纤维 全反射 1.结构： 四、光导纤维 2.原理： ①传递信息 3.应用： 光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强。一路光纤的传输能力理论值为二十亿路电话，一千万路电视。虽然光纤通信的发展历史只有20多年的，但是发展的速度是惊人的。 如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端（图 1）。 医学上用这种光纤制成内窥镜（图 2）用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。 实际的内窥镜装有两组光纤，一组把光传送到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。 全反射 1.结构： 四、光导纤维 2.原理： ①传递信息 3.应用： ②内窥镜 图 2 图 1 全反射 1.结构： 四、光导纤维 2.原理： ①传递信息 3.应用： ②内窥镜 思考3：光能在玻璃中传导，能在弯曲的水流中传导？ 将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。用激光水平射向塑料瓶小孔（图激光可由激光笔产生），观察光的传播路径。 【典例2】(多选)如图所示，用透明材料制成一长方体光学器件，其侧面BD足够长，现有一光束从上表面射入，下列说法正确的是（ 　　） A．入射角越大，光进入介质后在侧面越不容易发生全反射 B．要求从上表面射入的光能从右侧面射出，材料的折射率必须小于 C．若从上表面入射的光为红光和紫光的复合光， 则在BD面上紫光比红光更靠近D端 D．要求从上表面射入的光能从右侧面射出， 材料的折射率必须大于 ABC 【典例3】如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角θ＝60°时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与入射光平行。已知真空中的光速为c，则 (　 ) A．玻璃砖的折射率为1.5 B．OP之间的距离为R C．光在玻璃砖内的传播速度为c D．光从玻璃到空气的临界角为30° C C sinc= n= sinc= 600 i sini= 得:n= OP= R V= = sinc= 思考4：水中的鱼看水面和岸上的景物，是一种什么体验呢？ 水的折射率为1.33 所以C=48.80 则有圆锥顶角θ=2C=97.60 C C θ =2C 结论：水中的一切生物看水面上和岸上的所有景物，都出现在顶角约为97.6°的倒立圆锥里。 思考4：水中的鱼看水面和岸上的景物，是一种什么体验呢？ 【典例4】水面下h=1ｍ处有一灯泡在发光．在水面上放一木板，要求板能挡住所有射出水面的光，求该木板的最小面积，水折射率为4/3。 C C h 得:R= S= 4.07m2 解：sinc= = sinc= R 思考5：草叶上露珠特别明亮，这是为什么呢？ 思考5：草叶上露珠特别明亮，这是为什么呢？ 原因：光从水中射向空气时，一部分光在分界面上发生了全反射。使得光线进入了人眼 珠宝的鉴赏（ 临界角--玻璃：320-420 金刚石：24.40） 思考6：为什么珠宝看起来闪闪发亮？ 思考7：海市蜃楼和沙漠蜃景有区别吗？ 海面下层空气温度低，密度大，折射率大，上层空气温度高，密度小，折射率小，远方物体发出的光向空中入射时不断折射弯曲，到某高度时发生全反射，再射回地面,观察者感觉这光线来自空中. 贴近地面空气温度高，密度小，折射率小，上层空气温度低，密度大 ，折射率大 。远方物体发出的有些光线向地面入射时不断折射弯曲，到地面附近时发生全反射，再折向上射向远处空中，观察者感觉这光线来自地下。 思考7：海市蜃楼和沙漠蜃景有区别吗？ 思考7：海市蜃楼和沙漠蜃景有区别吗？ 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 光疏光密 全反射 应用 折射率较小的称为光疏介质； 折射率较大的称为光密介质。 全反射的条件: ① 光从光密介质进入光疏介质; ②入射角等于或大于临界角. 全反射棱镜、光导纤维 全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，入射角逐渐增大到某一角度，光线全部被反射回原光密介质的现象。 课堂小结 课堂练习 [典例1]用插针法测量上、下表面平行的玻璃砖的折射率。实验中用A、B两个大头针确定入射光路，C、D两个大头针确定出射光路。O和O′分别是入射点和出射点，如图(a)所示。测得玻璃砖厚度为h＝15.0 mm；A到过O点的法线OM的距离AM＝10.0 mm，M到玻璃砖的距离MO＝20.0 mm，O′到OM的距离为s＝5.0 mm。 (1)求玻璃砖的折射率；(2)用另一块材料相同，但上下两表面不平行的玻璃砖继续实验，玻璃砖的界面如图(b)所示。光从上表面入射，入射角从0逐渐增大，达到45°时，玻璃砖下表面的出射光线恰好消失。求此玻璃砖上下表面的夹角。 i r 解:(1)n= sini= sinr= = = 得:n= 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 课堂练习 [典例1]用插针法测量上、下表面平行的玻璃砖的折射率。实验中用A、B两个大头针确定入射光路，C、D两个大头针确定出射光路。O和O′分别是入射点和出射点，如图(a)所示。测得玻璃砖厚度为h＝15.0 mm；A到过O点的法线OM的距离AM＝10.0 mm，M到玻璃砖的距离MO＝20.0 mm，O′到OM的距离为s＝5.0 mm。 (1)求玻璃砖的折射率；(2)用另一块材料相同，但上下两表面不平行的玻璃砖继续实验，玻璃砖的界面如图(b)所示。光从上表面入射，入射角从0逐渐增大，达到45°时，玻璃砖下表面的出射光线恰好消失。求此玻璃砖上下表面的夹角。 (2)n= sinc= 450 c= = C 450 θ a 300 θ= a= 150 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 课堂练习  [针对训练1]光线由某种介质射向与空气的分界面，当入射角大于45°时折射光线消失，由此可断定这种介质的折射率是 (　 ) A．n＝          B．n＝          C．n＝       D．n＝2 B 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 课堂练习 [针对训练2]某种材料制成的半圆形透明砖平放在方格纸上，将激光束垂直于AC面射入，可以看到光束从圆弧面ABC出射，沿AC方向缓慢平移该砖，在如图所示位置时，出射光束恰好消失，该材料的折射率为( 　 ) A．1.2 B．1.4 C．1.6 D．1.8 C sinc= = A n=1.2 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 课堂练习 [典例2]如图，长方体玻璃砖的横截面为矩形MNPQ，MN＝2NP，其折射率为。一束单色光在纸面内以α＝45°的入射角从空气射向MQ边的中点O，则该束单色光  (　 ) A．在MQ边的折射角为60° B．在MN边的入射角为45° C．不能从MN边射出 D．不能从NP边射出 C 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 课堂练习 [针对训练1]一束复色光从空气射入光导纤维后分成a、b两束单色光，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 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 [针对训练2]一种“光开关”的核心区如图所示，其中1、2是两个完全相同的截面为等腰直角三角形的棱镜，两斜面平行，略拉开一小段距离，在两棱镜之间可充入不同介质以实现开关功能。单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，若能通过2，则实现“开”功能，否则实现“关”功能。已知棱镜对单色光a的折射率为1.5，下列说法正确的是(　 ) A．单色光a在棱镜中的传播速度是在 真空中的传播速度的1.5倍 B．若不充入介质，则实现“开”功能 C．若充入的介质相对棱镜材料是光疏介质，有可能实现“开”功能 D．若充入的介质相对棱镜材料是光密介质，有可能实现“关”功能 课堂练习 C 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 课堂练习 [针对训练3]如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到光的强度变化而触发工作的。光从挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中，测得入射角为α，折射角为β；光从P点射向外侧N点，刚好发生全反射并被Q接收，求光从玻璃射向空气时临界角θ的正弦值表达式。 sinθ= 解：n= sinθ= 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 浸润学科素养 1．美妙的彩虹，常引发人们产生美好的联想，被比喻为“天空的笑”“相会的彩桥”等。通常能看见的彩虹是红色在外、紫色在内，这被称为“虹”。有时还能看见一组相对“虹”而言颜色较淡的彩色圆弧，红色在内、紫色在外，这被称为“霓”(如图)。根据下图，与同学讨论交流： (1)虹与霓的形成除了有光的折射外，还经历了什么过程？ (2)我们看到的虹比霓亮得多，你能说出其中的道理吗？ 提示：(1)还经历了全反射过程。 (2)虹在形成过程中，太阳光在水珠中经历了一次全反射，而霓在形成过程中，太阳光在水珠中经历了两次反射，光能量有较大损耗。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 浸润学科素养 2．(1)远方有一湾美丽的湖水，走向前去，那里却是一片荒漠，这是一种蜃景现象(图1)，蜃景是怎样形成的？ (2)熏黑的铁球放入水中，为什么看上去会变 得锃亮(图2)? 提示：(1)在荒漠里，接近地面的热空气的折射率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景，好像水中形成的倒影一样。 (2)熏黑的铁球放入水中时，球面与水之间形成空气层，远处射过来的光从水中射入空气层中，当入射角大于临界角时发生全反射，光线进入人眼后，人感觉熏黑的铁球会发光，变得锃亮。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 3．准备好一块半圆形玻璃砖、光屏和激光光源。如图所示，用一束激光沿半圆形玻璃砖的半径射到直边上，让入射角由0逐渐增大，观察折射光和反射光，你会看到什么现象？ 浸润学科素养 提示：观察者会看到折射光变弱、反射光变强，当入射角增大到某值时，折射光消失，只剩下反射光，即发生了全反射。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 落实核心素养 1．高速公路上的标志牌常用“回归反光膜”制成，夜间行车时，它能将车灯照射过来的光逆向返回，使标志牌上的字特别醒目。这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的。如图所示，反光膜内均匀分布着直径为10 μm的细玻璃珠，所用玻璃的折射率为，为使入射的车灯光线经玻璃珠的折射、反射、再折射后恰好和入射光线平行，那么第一次入射时的入射角是 (　 ) A．60°          B．45°         C．30°         D．15° A　 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 2．(多选)在光纤制造过程中，由于拉伸速度不均匀，会使得拉出的光纤不是均匀的圆柱体，而呈现圆台形状(如图所示)。已知此光纤长度为L，圆台对应底角为θ，折射率为n，真空中的光速为c。现光从下方垂直射入下台面，则 (　 ) A．光从真空射入光纤，光的频率不变 B．光通过此光纤到达小截面的最短时间为L/c C．从上台面射出的光束一定是平行光 D．若满足sin θ＞1/n，则光在第一次到达光 纤侧面时不会从光纤侧面射出 落实核心素养 AD　 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 谢 谢 观 看 $$null