第3节 光的全反射与光纤技术（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年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 核心素养导学 物理观念 (1)知道全反射现象，理解光疏介质、光密介质和临界角的概念。 (2)知道光导纤维和光纤通信。 科学思维 (1)掌握全反射产生的条件，能画出全反射光路图，解决全反射问题。 (2)会分析光导纤维问题。 科学态度与责任 体会光学技术在生产、生活和科学技术上的应用，培养将所学知识应用于生产和生活中的意识。 较大 较小 相对 全部 90° 4．发生光的全反射的两个必要条件 (1)光线从______介质射入______介质。 (2)入射角____________临界角。 (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。　　 光密 光疏 大于或等于 二、光导纤维的工作原理和应用 1．原理：利用了光的________。 2．构造：光导纤维简称光纤，沿垂直光纤轴向的两层结构，外层的折射率______内层的折射率，当光在其中传输时，发生_______。 3．应用 (1)医学上用来检查人体消化道的________就利用了许多光纤组合成的光缆。 (2)光纤通信就是利用光纤传递信息的，其优点是：容量大、_____小、抗干扰性强。 全反射 小于 全反射 内窥镜 衰减 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，内芯的折射率为n1，外套的折射率为n2。 (1)光线在内芯和外套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)|全反射现象的分析 [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。　　 [重点释解] 1．判断全反射问题的方法 (1)确定光是从光密介质进入光疏介质。 (2)明确入射角大于等于临界角。 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．从能量角度来理解全反射 当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角的增大，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，反射光线的能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线消失，反射光的能量等于入射光的能量。 [典例体验] [典例]　(2022·广东高考) 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。 [针对训练] 1． 完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮。在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球。如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球。下列说法正确的是(　 ) A．此单色光从空气进入水球，频率一定变大 B．此单色光从空气进入水球，频率一定变小 C．若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射 D．若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射 解析：光在不同介质中传播过程中频率不变，故A、B错误； 如图所示，光线1在M处的入射角小于光线2在N处的入射角， 如果感觉不明显，可以考虑光线1入射位置略微下移，故若光 线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射，C正确，D错误。 答案： C 答案：10.6 m 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 答案：C　 2．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。 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全反射，光能量有较大损耗。 科学探究——荒漠上的蜃景 2．(选自鲁科版新教材)(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。 科学态度与责任——观察全反射现象 3. (选自鲁科版新教材“迷你实验室”)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？ 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。 答案：AD 一、光的全反射现象 1．光密介质和光疏介质：折射率_____的介质称为光密介质，折射率_____的介质称为光疏介质。光密介质和光疏介质是______的。 2．光的全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角且随入射角的增大而增大，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______被反射回光密介质中。 3．临界角：折射角等于_____时的入射角，记作ic。sin ic＝____。 [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 ic＝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。 2．有人在河中游泳，头部露出水面，在某一位置当他低头向水中观察时，看到河底有一静止物体跟他眼睛正好在同一竖直线上，这个人再向前游12 m，正好不能看见此物体，求河中水的深度。 解析：如图所示，由题意知ic为临界角， 则sin ic＝＝① 从图可得sin ic＝② 联立①②得：＝，解得h≈10.6 m。 [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 ic＝和ic≤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θ1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 ic＝，n＝，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中的光线的入射角θ减小。当θ1＝90°时，若θ＝ic，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。 [针对训练] 1.一种“光开关”的核心区如图所示，如图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 解析：根据v＝，可知单色光a在棱镜中的传播速度是在真空中的传播速度的，A错误。单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，在斜面的入射角为45°，根据sin 45°＝＞sin C＝＝，可知入射角大于临界角，不充入介质，在斜面发生全反射，单色光a不能通过2，实现“关”功能，B错误。单色光a由光密介质进入光疏介质，可能不发生全反射，可能实现“开”功能；单色光a由光疏介质进入光密介质，不会发生全反射，不可能实现“关”功能，D错误，C正确。 解析：根据光的折射定律有n＝， 根据光的全反射规律有sin θ＝， 联立解得sin θ＝。 答案：sin θ＝ 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 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．光通过此光纤到达上台面的最短时间为 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上台面的最短时间为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 ic＝，当sin θ＞时有θ＞ic，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.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)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) $$