2.全反射-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第一册创新导学案全书Word（人教版2019）

物理　选择性必修 第一册 RJ 2．全反射 1．知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念。2.理解发生全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象。3.了解全反射棱镜和光导纤维的工作原理以及在生产、生活中的应用。 任务　全反射 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，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。逐渐增大入射角，可观察到图中反射光线和折射光线的变化。试从理论上解释这个现象。 提示：光从玻璃射向空气时，同时发生折射和反射，根据折射定律n＝可知，折射角大于入射角，入射角增大时，折射角和反射角都增大；当入射角增大到某一角度时，折射角将达到90°，这时，折射光完全消失，只剩下反射光。 1．光疏介质和光密介质 (1)定义：对于折射率不同的两种介质，把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。 (2)光由光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。 2．全反射 (1)定义：当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射。 (2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角。用字母C表示。 (3)发生全反射现象的条件 ①光从光密介质射入光疏介质。 ②入射角等于或大于临界角。 (4)临界角与折射率的关系 ①定量关系：当光由介质射入空气(真空)时，sinC＝。 ②定性关系：介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。 1．判一判 (1)密度大的介质就是光密介质。(　　) (2)两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质。(　　) (3)光密介质和光疏介质具有绝对性。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)× 2．想一想 (1)只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质？ 提示：不能。光密介质、光疏介质是对确定的两种介质的折射率相比较而确定的，只有一种介质是无法比较折射率的，也就无法确定它是光疏介质还是光密介质。 (2)为什么水或玻璃中的气泡看起来特别明亮？ 提示：水或玻璃中的气泡相对水或玻璃是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉水或玻璃中的气泡特别明亮。 1．对光疏介质和光密介质的理解 光疏和光密是相对介质的光学特性来说的，和介质的密度大小没有直接关系，例如酒精的密度比水小，但酒精和水相比，酒精是光密介质。 2．从能量角度理解全反射 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，同时折射光强度减弱，即折射光能量减小，反射光强度增强，即反射光能量增大；当入射角达到临界角时，折射光强度减小到零，反射光的能量等于入射光的能量。 (多选)如图所示，一束单色光由介质Ⅰ射入介质Ⅱ，在界面MN上发生折射，入射角为α，折射角为β，且α<β，下列说法正确的是(　　) A．两种介质相对来说，介质Ⅰ是光疏介质，介质Ⅱ是光密介质 B．两种介质相对来说，介质Ⅰ是光密介质，介质Ⅱ是光疏介质 C．若该单色光由介质Ⅰ射向介质Ⅱ，随着入射角不断增大，在分界面上会发生全反射 D．若该单色光由介质Ⅱ射向介质Ⅰ，随着入射角不断增大，在分界面上会发生全反射 (1)怎样判断介质是光疏介质还是光密介质？ 提示：光在两介质的界面发生折射时，比较入射角和折射角的大小，角度大者所对应的介质是光疏介质，角度小者所对应的介质是光密介质。 (2)发生全反射的条件是什么？ 提示：①光从光密介质射入光疏介质；②入射角大于或等于临界角。 [解析]　由图可知，该单色光从介质Ⅰ射入介质Ⅱ时，入射角小于折射角，因此介质Ⅰ是光密介质，介质Ⅱ是光疏介质，故A错误，B正确；只有单色光由光密介质Ⅰ射向光疏介质Ⅱ时，随着入射角增大才能发生全反射，故C正确，D错误。 [答案]　BC 如图所示，一细束单色光从半圆形玻璃砖上的P点沿半径方向射向圆心O，刚好在玻璃砖的底面发生全反射后从玻璃砖射出，单色光与玻璃砖下表面的夹角为53°，取sin53°＝，sin37°＝，则玻璃砖对该单色光的折射率为(　　) A. B. C. D. [解析]　由题意知，该单色光从玻璃砖射入空气时，发生全反射的临界角为C＝90°－53°＝37°，根据sinC＝可得，玻璃砖对该单色光的折射率为n＝＝＝，故选D。 [答案]　D 任务　全反射棱镜 1．形状：截面为等腰直角三角形。 2．作用：当光垂直玻璃面射入时，光线不发生偏折；但在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，入射角大于临界角，发生全反射。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，应用十分广泛。 3．光路特征 入射方式 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，上下翻转) 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的玻璃全反射棱镜。下列选项中给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生上述效果的是(　　) [解析]　棱镜的折射率为n＝1.5，由临界角公式得sinC＝＝<sin45°，可知光从棱镜射入空气时的全反射临界角C＜45°，则当光线垂直直角边进入玻璃砖，射到斜边上入射角为45°时，光线能发生全反射，分析可知只有B项能产生题中效果，故选B。 [答案]　B 任务　光导纤维 1．光导纤维导光的原理：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。 2．光导纤维的构造：直径只有几微米到一百微米。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(如图所示)。 3．光导纤维的应用 (1)医学上用光导纤维制成内窥镜，来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。 (2)利用光导纤维可实现光纤通信，而光纤通信的优点是传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。 如图所示，光导纤维可简化为长玻璃丝。一细束激光由光导纤维左端的中心点以i＝60°的入射角射入，折射角θ＝30°，经过一系列全反射后从右端射出。已知光导纤维长L＝1.2×104 m，真空中的光速c＝3×108 m/s，则该激光在光导纤维中传输所经历的时间为(　　) A．4×10－5 s B．4×10－5 s C．8×10－5 s D．4×10－5 s [解析]　由折射定律可得光导纤维对该激光的折射率n＝，该激光在光导纤维中传输的速度为v＝，路程为s＝，故该激光在光导纤维中传输所经历的时间为t＝，代入题中数据，解得t＝8×10－5 s，故选C。 [答案]　C 课后课时作业 知识点一　全反射 1．(多选)已知水、酒精、水晶和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.36、1.55和1.63，如果光按下面几种方式传播，可能发生全反射的是(　　) A．从酒精射入水中 B．从水射入二硫化碳中 C．从水晶射入酒精中 D．从水射入水晶中 答案：AC 解析：光只有从光密介质射入光疏介质才可能发生全反射，而光密介质折射率较大。光从酒精射入水中、从水晶射入酒精中，均是从光密介质射入光疏介质，有可能发生全反射，故A、C符合题意；光从水射入二硫化碳中、从水射入水晶中，均是从光疏介质射入光密介质，不可能发生全反射，故B、D不符合题意。 2．(多选)关于全反射，下列说法中正确的是(　　) A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线 B．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象 C．光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象 D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面处发生了全反射 答案：CD 解析：全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质，故A、B错误，C正确；当光线经由水或玻璃射向气泡时，由于水和玻璃的折射率均大于空气的折射率，部分光线在界面处发生全反射，所以水或玻璃中的气泡看起来特别亮，D正确。 3．某种介质的折射率是，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是(图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质)(　　) 答案：D 解析：由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sinC＝＝，得全反射临界角C＝45°<θ＝60°，故当光以60°的入射角从该介质射向空气时，会在界面上发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故D正确。 4．光在某种介质中传播时的速度为1.5×108 m/s，那么，光从此种介质射向空气并发生全反射的临界角应为(　　) A．60° B．45° C．30° D．75° 答案：C 解析：根据n＝，sinC＝，得sinC＝＝＝，解得C＝30°，C正确。 5．为了更好地研究某一湖泊水下鱼类的生存状况和发展趋势，科学家在水下距离湖面h＝7 m处安装了一个摄像机，全天候对鱼群进行监测。已知湖水的折射率n＝，取π＝3，将摄像机上的灯看作点光源，求附近岸上的人在晚上看到湖面上的亮光的面积大小S。 答案：189 m2 解析：如图所示，光线在湖面上亮光区域的边缘处恰好发生了全反射，入射角等于临界角C 临界角C满足sinC＝ 亮光区域的半径为r＝htanC 附近岸上的人在晚上看到湖面上的亮光的面积大小为S＝πr2 联立解得S＝189 m2。 知识点二　全反射棱镜 6．图甲中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，棱镜的横截面如图乙所示，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和CB边反射后，从AB边的O′点射出，则出射光线为(　　) 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BC边的光线③ D．平行于AB边的光线④ 答案：B 解析：由sinC＝<得，光从棱镜射入空气时，发生全反射的临界角C<45°。光从空气进入棱镜，因入射角为0°，所以光线不偏折，之后垂直AB边射向AC边；当光从棱镜AC边射向空气时，入射角等于45°，发生全反射，之后平行AB边射向BC边；当光从棱镜BC边射向空气时，入射角等于45°，发生全反射，之后垂直射向AB边；光从棱镜AB边射向空气时，入射角为0°，光线不发生偏折，垂直AB边射出。即出射光线为平行于入射光线的光线②，故选B。 知识点三　光导纤维 7.如图所示，将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。将激光水平射向塑料瓶小孔，观察到激光束沿水流方向发生了弯曲，光被完全限制在水流内。则下列说法正确的是(　　) A．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气的界面上发生折射 B．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气的界面上发生全反射 C．仅改用折射率更大的液体，激光束不能完全被限制在水流内 D．激光在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度 答案：B 解析：激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气的界面上发生全反射，就像光导纤维一样，故A错误，B正确；仅改用折射率更大的液体，根据sinC＝可知全反射临界角更小，激光束仍可在水流中发生全反射，同样光能完全被限制在水流内，故C错误；根据v＝可知，激光在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度，故D错误。 8．(多选)如图所示，一根长为l的光导纤维用折射率n＝的材料制成，一束激光由其左端的中心点以α＝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。已知真空中光速为c，不考虑光在光导纤维右侧截面上的反射，则下列说法正确的是(　　) A．在光导纤维中激光的传播速度为 B．激光在光导纤维中发生全反射的临界角为45° C．从右侧射出的激光在光导纤维中通过的路程为2l D．从右侧射出的激光在光导纤维中传播的时间为 答案：BD 解析：在光导纤维中激光的传播速度为v＝＝，故A错误；激光在光导纤维中发生全反射的临界角C满足sinC＝＝，则C＝45°，故B正确；激光从左端射入时的折射角r满足n＝，解得r＝30°，则从右侧射出的激光在光导纤维中通过的路程为s＝＝，故C错误；从右侧射出的激光在光导纤维中传播的时间为t＝＝＝，故D正确。 9．为了研究某种透明新材料的光学性质，将其压制成半圆柱形，横截面如图a所示。一束激光由真空沿半圆柱体的径向射入，与过O点的法线成θ角。CD为光传感器，用以探测光的强度。从AB面反射回来的光的强度随θ角变化的情况如图b所示。已知sin53°＝0.8，该材料的折射率为(　　) A. B. C. D. 答案：A 解析：由图b可知，当θ＝53°时激光在O点发生全反射，则全反射临界角为C＝53°，由全反射临界角公式有sinC＝，得该材料的折射率n＝，故选A。 10.如图所示是指纹识别原理图，其原理是利用光学棱镜的全反射特性，在指纹谷线(凹部)，入射光在棱镜界面发生全反射，在指纹脊线(凸部)，入射光的某些部分被吸收或者漫反射到别的地方，这样，在指纹模块上形成明暗相间的指纹图像。已知水的折射率约为1.33，透明玻璃的折射率约为1.5。下列说法正确的是(　　) A．指纹模块接收光线较暗的部位是指纹谷线 B．指纹模块接收光线较亮的部位是指纹谷线 C．没有手指放入时，若光源正常发光，指纹模块会接收到全暗图像 D．手指湿润时，指纹识别率低，是因为光在棱镜界面不能发生全反射 答案：B 解析：在指纹脊线(凸部)，入射光的某些部分被吸收或者漫反射到别的地方，指纹模块接收到光线较暗，在指纹谷线(凹部)，入射光在棱镜界面发生全反射，指纹模块接收到光线较亮，因此指纹模块接收光线较暗的部位是指纹脊线，较亮的部位是指纹谷线，故A错误，B正确；没有手指放入时，若光源正常发光，入射光在棱镜界面发生全反射，指纹模块会接收到全亮图像，故C错误；因水的折射率大于空气的折射率，小于玻璃的折射率，因此，手指湿润时，光线在棱镜界面仍能发生全反射，且发生全反射的临界角变大，则在棱镜界面原来发生全反射的光中，有部分光仍发生全反射，也有部分光无法发生全反射，使得指纹识别率变低，故D错误。 11.光从折射率为na的光密介质射向折射率为nb的光疏介质时，发生全反射的临界角C满足sinC＝。如图所示，一光导纤维内芯的折射率为n1，外套的折射率为n2，一束光信号与界面夹角为α由内芯射向外套，要在界面发生全反射，必须满足的条件是(　　) A．n1<n2，α≤90°－arcsin B．n1>n2，α≥arcsin C．n1>n2，α≤90°－arcsin D．n1>n2，α≤90°－arcsin 答案：D 解析：由发生全反射的条件可知，要使光信号在内芯和外套的界面发生全反射，则内芯的折射率n1应大于外套的折射率n2，且入射角要大于或等于临界角，所以α应小于或等于90°－C，而sinC＝，得α≤90°－arcsin，故D正确。 12．(2023·湖北高考)如图所示，楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°，OP边上的点光源S到顶点O的距离为d，垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°。不考虑多次反射，OQ边上有光射出部分的长度为(　　) A.d B.d C．d D.d 答案：C 解析：已知光线SN在OQ边的折射角为β＝45°，由几何关系可知，入射角为α＝30°，根据折射定律可得该玻璃的折射率n＝，解得n＝；光线不从OQ边射出的临界条件为在OQ边上恰好发生全反射，光路图如图所示，光线在A、B两点恰好发生全反射，A、B之间有光射出，由sinC＝，可解得光在A、B两点发生全反射的临界角为C＝45°，由几何关系可知，OQ边上有光射出部分的长度AB＝2DStanC，又DS＝dsin30°，可得AB＝d，故选C。 12 学科网（北京）股份有限公司 $$