第4章 第3节 光的全反射（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

光及其应用 第3节　光的全反射 第四章 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 一、全反射现象 1．光疏介质和光密介质 (1)概念：两种介质比较，折射率较小的介质叫作____介质，折射率较大的介质叫作____介质。 (2)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。 (3)相对性：光疏介质和光密介质是____的。 光疏 光密 相对 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 2．全反射 光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质中传播的现象叫作______。 二、发生全反射的条件 1．临界角 我们把光从某种介质射向真空或空气、折射角为90°时的______，称为这种介质的临界角。 全反射 入射角 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 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____介质。 (2)入射角大于等于临界角。 3．临界角与折射率的关系 (1)定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝ 。 (2)定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越____发生全反射。 光疏 容易 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 三、全反射的应用——光导纤维 1．光导纤维对光的传导原理 利用了______原理。 2．光导纤维的构造 光导纤维(简称光纤)是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到一百微米不等，由内芯和外层透明介质两层组成。内芯的折射率比外套的折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生______。 全反射 全反射 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 3．光导纤维的应用——光纤通信 光纤通信，就是把载有____、____和各种数字信号的激光从光纤的一端输入，沿着光纤传到另一端去。 4．光纤通信的主要优点 容量大、衰减小、__________强、传输质量高。 声音 图像 抗干扰能力 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 必备知识 自主学习 1．(1)炎热的夏天，在公路上有时能看到远处物体的倒影，这是一种什么现象？ (2)微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂，光纤为什么要由两层介质构成？ 提示：(1)蜃景现象。 (2)光纤的工作原理是全反射，要由两种介质配合才能产生全反射现象。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 2．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象。(　　　　) (2)密度大的介质就是光密介质。(　　　　) (3)两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质。(　　　　) (4)光密介质和光疏介质具有绝对性。(　　　　) × × √ × 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 探究点一__ _________光的全反射及其分析方法 如图所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上。逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)在入射角逐渐增大时，折射角的大小及反射光线和折射光线的亮度如何变化？ (2)若光由空气射入玻璃，当入射角增大时，是否能够发生全反射现象？ 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 提示：(1)逐渐增大入射角，会看到折射光线离法线越来越远，折射角逐渐增大。折射光线越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线。 (2)不能，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。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 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 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (2)相对性：光疏介质与光密介质是相对的。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，谁是光密介质。 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入射角大于或等于临界角。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (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，随着入射角增大，折射角也增大，同时折射光线强度减弱，即折射光线能量减小，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，反射光的能量等于入射光的能量。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [练1] 为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB面以60°入射角射入长方体时光线刚好不能从BC面射出，如图所示，该材料的折射率是多少？ 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 解答全反射类问题的技巧 (1)光只有从光密介质射入光疏介质才能发生全反射。 (2)入射角大于或等于临界角才能发生全反射。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 探究点二__ _________全反射的应用问题 1．全反射棱镜 如图所示，已知玻璃的折射率为1.5，甲图中光线垂直BC面入射。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 [问题设计] 光线到达AC面的入射角是多少？能否发生全反射？乙图中当光线垂直AC面入射时，光线到达AB面的入射角是多少？能否发生全反射？ 提示：光线到达AC面的入射角是45°，能发生全反射，光线到达AB面的入射角是45°，能发生全反射。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 全反射棱镜改变光路的几种情况 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 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。 [问题设计] 构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率更大？为什么？ 提示：内芯的折射率更大。因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 1．光导纤维的构造及传播原理 (1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如图所示，它是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率大于外套的折射率。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 (2)传播原理：光由一端进入，在内芯和外套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，进而变为声音、图像。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 【例2】 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。下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生图中效果的是(　　) B 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 关键能力 互动探究 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 (1)发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角。 (2)光导纤维利用了光的全反射，所以内芯的折射率一定大于外套的折射率。 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 1．(多选)如图所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条颜色相同、强度相同的光线，均由空气沿半圆半径方向射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置。下列说法正确的是(　　 ) A．假若三条光线中只有一条在O点发生了全反射， 那一定是aO光线 B．假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射 C．假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射 D．假若光线aO恰能发生全反射，那么光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大 ACD 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 B　 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 3．两个城市间光缆中的一条光导纤维的一段如图所示，光缆总长为L，它的玻璃芯的折射率为n1，外层材料的折射率为n2。若光在空气中的传播速度近似为c，则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程，下列判断正确的是(　　) D 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 素养训练 学业评价 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 解 析 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 46 课时梯级训练(23) 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 谢谢观看 物理 选择性必修 第一册 J　 返回导航 物理观念 科学探究 科学态度与责任 光疏介质、光密介质、全反射、临界角。 观察全反射现象。 全反射棱镜和光导纤维在生产生活中的应用。 项目 光的传播速度 折射率 光疏介质 大 小 光密介质 小 大 3．临界角 (1)定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角称为全反射的临界角，用C表示。 (2)表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰好等于90°，n＝，即sin C＝。 【例1】 (2023·全国乙卷)如图，一折射率为的棱镜的横截面为等腰直角三角形△ABC，AB＝AC＝l，BC边所在底面上镀有一层反射膜。一细光束沿垂直于BC方向经AB边上的M点射入棱镜，若这束光被BC边反射后恰好射向顶点A，求M点到A点的距离。 答案：l 作出光路图如图所示。 光线垂直于BC方向射入，根据几何关系可知入射角为45°；由于棱镜折射率为，根据n＝ 有sin r＝，则折射角为30°，∠BMO＝60°，因为∠B＝45°，所以光在BC面的入射角为θ＝90°－(180°－60°－45°)＝15° 根据反射定律可知∠MOA＝2θ＝30° 根据几何关系可知∠BAO＝30°，即△MAO为等腰三角形，则＝ 又因为△BOM与△CAO相似，故有＝ 由题知AB＝AC＝l 联立可得BM＝AC＝l 所以M到A点的距离x＝MA＝l－BM＝l。 答案： 如题图所示，根据折射定律得n＝① 由题意可知sin C＝② 而C＝90°－r③ 由②③得cos r＝④ 而cos r＝ 代入④得＝⑤ 联立①和⑤解得n＝。 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 2．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，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，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，即解得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，因此折射率要大于。 四个选项的光路图如图所示： B正确。 [练2] 如图所示，一根长度为l＝5.0 m的光导纤维是用折射率n＝的材料制成的。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，求： (1)该激光在光导纤维中的速度v； (2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间。 答案：(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10－8 s (1)由n＝可得v≈2.1×108 m/s。 (2)由n＝可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射。同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面，其光路如图所示。由几何关系可以 求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝≈2.7×10－8 s。 在玻璃砖直径界面，光线aO的入射角最大，光线cO的入射角最小，它们都是从光密介质射向光疏介质，都有发生全反射的可能。假若只有一条光线发生了全反射，那一定是aO光线，因为它的入射角最大，A正确；假若光线bO能发生全反射，说明它的入射角等于或大于临界角，光线aO的入射角更大，所以光线aO一定能发生全反射，光线cO的入射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此光线cO不一定能发生全反射，B错误，C正确；假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO和光线cO都不能发生全反射，但光线bO的入射角更接近临界角，所以光线bO的反射光线比光线cO的反射光线强，即光线bO的反射光线亮度较大，D正确。 2．自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来自后面的光线反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率n>)组成，棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜，先后经过AC边和CB边反射后，从AB边的O′点射出，则出射光线是(　　) A．平行于AC边的光线① B．平行于入射光线的光线② C．平行于CB边的光线③ D．沿AB边的光线④ 由题意可知，等腰直角棱镜的折射率n>，且sin C＝，得临界角小于45°，由题图可得，光从空气进入棱镜，因入射角为0°，所以光线不偏折。当光从棱镜射向空气时，入射角等于45°，发生全反射，根据几何关系，结合光路可逆可知，出射光线是光线②，B正确，A、C、D错误。 A．n1<n2，光通过光缆的时间等于 B．n1<n2，光通过光缆的时间大于 C．n1>n2，光通过光缆的时间等于 D．n1>n2，光通过光缆的时间大于 光从光密介质射入光疏介质，才可能发生全反射，故n1>n2；光在内芯传播的路程s＝，光在内芯的传播速度v＝，所以光通过光缆的时间t＝＝，D正确。 4．一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯，过轴线的截面图如图所示，调整入射角α，光线恰好在水和空气的界面上发生全反射。已知水的折射率为，求sin α 的值。 答案： 当光线在水面发生全反射时，有sin C＝，当光线从左侧射入玻璃杯时，由折射定律有n＝，联立以上两式并代入数据可得sin α＝。 $$