第3节 光的全反射（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

第3节　光的全反射 核心素养导学 物理观念 (1)光疏介质和光密介质，全反射和临界角。 (2)光导纤维。 科学思维 学会判断是否发生全反射的方法，并能画出光路图分析和计算相关问题。 科学态度与责任 认识全反射生产的科学技术等方面的应用。 一、全反射现象　发生全反射的条件 1．光疏介质和光密介质：对于折射率不同的两种介质，我们把折射率_____的称为光疏介质，折射率______的称为光密介质。光疏介质和光密介质是______的。 2．全反射 (1)定义：光从光密介质射到光疏介质的界面时，______被反射回原介质中传播的现象叫作全反射。 较小 较大 相对 全部 光密 光疏 等于或大于 二、全反射的应用——光导纤维 1．原理：利用了光的_________。 2．构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，分内外两层。内层玻璃的折射率比外层玻璃的_____，光传播时在两层玻璃的界面上发生_________。 3．主要优点：容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输质量高等。 全反射 大 全反射 1．图甲中荷叶上晶莹透亮的小水珠、图乙中水里的小气泡、图丙中玻璃玩具里的小气泡看上去格外明亮，这种现象属于光的全反射现象，试判断甲、乙、丙三图中光疏介质和光密介质。 图例 光疏介质 光密介质 甲 ___________ 水 乙 气泡中的空气 ________ 丙 气泡中的空气 ___________ 空气 水 玻璃 2．如图，内层玻璃的折射率为n1，外层玻璃的折射率为n2。 (1)光线在内层玻璃和外层玻璃的界面上发生了什么现象？ (2)n1和n2的大小存在什么关系？ 提示：(1)发生了光的全反射现象。 (2)n1＞n2。 新知学习(一)|对全反射现象的理解 [任务驱动] 如图，让一束光沿着半圆形玻璃砖的半径射向玻璃砖，在底面上光发生反射和折射，逐渐增大入射角，为什么折射光线消失，只有反射光线？ 提示：因为入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象。　 7 [重点释解] 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 (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，与它的密度大小无关。例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质。   光的传播速度 折射率 光疏介质 大 小 光密介质 小 大 2．全反射现象 (1)全反射的条件 ①光由光密介质射向光疏介质。 ②入射角等于或大于临界角。 (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。 [典例体验] [典例]　一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液 体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部 P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心 O点。当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。 答案：B　 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 答案：A　 3．(2023·湖南高考)(多选)一位潜水爱好者在水下活动时，利用激光器向岸上救援人员发射激光信号，设激光光束与水面的夹角为α，如图所示。他发现只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到他发出的激光光束，下列说法正确的是(　 ) 新知学习(二)|全反射的两种应用 [任务驱动] 如图所示，自行车的尾灯虽然本身不发光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，用以警示后面车上的司机，请思考该现象是什么原理？ 提示：光的全反射原理。　　　　 [答案]　C [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 答案：C 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——美丽的彩虹 1．(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)美妙的彩虹，常引发人们产生美好的联想，被比喻为“天空的微笑”“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。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 答案：AD 2．将两块半径均为R、完全相同的透明半圆柱体A、B正对放置， 圆心上下错开一定距离，如图所示。用一束单色光 沿半径照 射半圆柱体A，设圆心处入射角为θ。当θ＝60°时，A右侧 恰 好无光线射出；当θ＝30°时，有光线沿B的半径射出，射 出位置与A的圆心相比下移h。不考虑多次反射。求： (1)半圆柱体对该单色光的折射率； (2)两个半圆柱体之间的距离d。 (2)发生全反射的条件 ①光线从______介质射入_____介质； ②入射角必须____________临界角。 (3)临界角C和折射率n的关系式：sin C＝_____。 (1)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)相对于相同两种介质的界面，紫光的临界角最小、红光的临界角最大。　　 [解析]　当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束，说明光恰好发生全反射，其临界角为C＝45° 由sin C＝，解得n＝ 该激光在液体中的传播速度v＝＝c。 [答案]　　c /方法技巧/ 解决全反射问题的思路 (1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。 (2)若由光密介质进入光疏介质时，则根据sin C＝确定临界角，看是否发生全反射。 (3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。 (4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理，进行动态分析或定量计算。　　　 [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 解析：入射角大于45°时折射光线消失，即这种介质的临界角C＝45°，所以n＝＝，故B正确。 解析：画出激光束从玻璃砖射出时恰好发生全反射的入射角，如图所示。由全反射的条件得sin θ＝，由几何关系知sin θ＝，联立解得n＝1.2，故A正确，B、C、D错误。 A．水的折射率为 B．水的折射率为 C．当他以α＝60°向水面发射激光时，岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60° D．当他以α＝60°向水面发射激光时，岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角大于60° 解析：只有当α大于41°时，岸上救援人员才能收到潜水员发出的激光光束，则说明α＝41°时激光恰好发生全反射，则sin (90°－41°)＝，解得n＝，A错误，B正确；当潜水员以α＝60°向水面发射激光时，入射角i1＝30°，则根据折射定律有nsin i1＝sin i2，折射角i2大于30°，则岸上救援人员接收激光光束的方向与水面夹角小于60°，C正确，D错误。 答案：BC　 [重点释解] 1．全反射棱镜：全反射棱镜利用光的全反射改变光的方向，如图所示(甲图中光的方向改变90°，乙图中光的方向改变180°)，由sin C＝和C≤45°知，n≥ 。 2．光导纤维：设光导纤维的折射率为n，当入射光线的入射角为i时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图丙所示。 则有：sin C＝，n＝，C＋r＝90°，由以上各式可得sin i＝。由图可知：当i增大时，r增大，而从纤维射向空气中的光线的入射角θ减小。当i＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有sin 90°＝，解得n＝。故当光导纤维的折射率大于等于时，就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射。 [典例体验] [典例]　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 [解析]　光线从O点入射，设折射角为β，由折射定律得sin α＝nsin β，解得β＝30°，即在MQ边的折射角为30°，故A错误；设边长NP＝l，则MN＝2l，作出折射后的光路图如图所示，由几何关系可知光在MN边的入射角为60°，故B错误；光从光密介质射入光疏介质发生全反射的临界角设为θ，有sin θ＝＝，即θ＝45°，而MN边的入射角为60°>45°，故光在MN边发生全反射，即不能从MN边射出，故C正确；根据几何关系可知光在A点发生全反射后到达NP边的B点，根据光的折射的可逆性可知，光从NP边的B点折射后的折射角为45°，故D错误。 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，频率小，由sin C＝可知折射率越小发生全反射的临界角越大，故C正确。 2．(2024年1月·广西高考适应性演练)光学反射棱镜被广泛应用于摄像、校准等领域，其中一种棱镜的截面如图，eh边为镀膜反射面，ef＝eh，fg＝gh，∠e＝60°，∠g＝120°，棱镜的折射率为，光在真空中的传播速度为3.0×108 m/s，若细光束从O点以60°的入射角从真空射入棱镜，求： (1)光在上述棱镜中传播速度的大小； (2)光束从棱镜中射出的折射角，并完成光路图。 解析：(1)由n＝，可得光在棱镜中传播速度的大小为v＝＝ m/s＝×108 m/s。 (2)作出光路图如图所示 由光的折射定律n＝，其中θ1＝60°， 解得θ2＝30°， 由几何知识可知θ3＝60°，根据sin C＝可得， 临界角满足30°<C<45° 故光束在O1处发生全反射，根据几何关系可知，光束垂直射到eh边，根据光路的可逆性，则光束沿着原路返回，故光束在O处发生折射，根据折射定律，光束从棱镜中射出的折射角为60°。 答案：(1)×108 m/s　(2)60°　见解析图 科学思维——光在半圆形玻璃砖中的全反射 2．(选自鲁科版新教材课后练习)如图所示，一块半圆形玻璃砖，其横截面是半径为R的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心。玻璃的折射率n＝。 (1)平行光垂直射向玻璃砖的下表面。若光到达上表面后，都能从上表面射出，则入射光束在AB上的最大宽度为多少？ (2)一束光在点O左侧与O相距R处垂直于AB从下方入射，求此光从玻璃砖表面射出时的位置。 解析：(1)由sin C＝可得 临界角C＝45° 设入射光束在AB上的最大宽度为d 则由sin C＝ 可得：d＝R。 (2)入射光在点O左侧与O相距R处垂直于AB从下方入射，设在玻璃砖上表面的入射角为α， 由sin α＝可知，α＝60°>C， 所以入射光在玻璃上表面发生全反射，作出光路图如图所示，由对称性可知，此光经过三次全反射后最终垂直于AB在AB面射出，出射点位置在O点右侧R处。 答案：(1)R　(2)O点右侧R处 1．(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 C．从上台面射出的光束一定是平行光 D．若满足sin θ＞，则光在第一次到达光纤侧面时不会从光纤侧面射出 解析：光的频率由光源决定，与介质无关，所以光从真空射入光纤，光的频率不变，A正确。光通过此光纤到达小截面的最短距离为L，光在光纤中的传播速度v＝，则光通过此光纤到达小截面的最短时间为t＝＝，故B错误。通过光纤侧面全反射后再从上台面射出的光束与垂直射出上台面的光束不平行，C错误。设光纤的临界角为C，光第一次到达光纤侧面的入射角为θ，则sin C＝，当sin θ＞时有θ＞C，则光在第一次到达光纤侧面时发生全反射，不会从光纤侧面射出，D正确。 解析：(1)光从半圆柱体A射入，满足光从光密介质到光疏介质，当θ＝60°时发生全反射，有sin θ＝解得n＝。 (2)当入射角θ＝30°，经两次折射沿半圆柱体B的半径射出，设折射角为r，光路如图所示 由折射定律有n＝ 由几何关系有tan r＝ 联立解得d＝。 答案：(1)　(2) $$