第4章 03第三节 光的全反射与光纤技术-【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Word（粤教版）

物理 选择性必修 第一册(粤教) 第三节　光的全反射与光纤技术 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.了解光导纤维的工作原理以及在生产、生活中的应用． 一　光的全反射现象 1．光的全反射：当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大．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，入射光线全部被反射回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射． 2．临界角：折射角等于90°时的入射角称为临界角，记为ic. 3．光的全反射的两个必要条件 (1)光线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：sinic＝． 二　光导纤维的工作原理及光纤技术的实际应用 1．原理：利用了光的全反射． 2．构造：由纤芯和包层两层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射． 3．应用 (1)实际应用中，通常把许多光纤组合制成光缆，如医学上用来检查人体消化道的内窥镜． (2)光纤通信：主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强． 1．判一判 (1)密度大的介质就是光密介质．(　　) (2)入射角大于临界角就会发生全反射现象．(　　) (3)光导纤维的纤芯是光密介质，包层是光疏介质．(　　) (4)光在光纤中传播时，在纤芯与包层的界面上发生全反射．(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)√ 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． (3)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：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． 课堂任务　全反射 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：玻璃的折射率为n，如图甲，光从空气射向玻璃发生了反射和折射，折射角γ和入射角i有什么关系？ 提示：＝n. 活动2：图甲中，随着入射角i的增大，根据上述关系，猜测最终会出现什么现象？ 提示：根据＝n，i增大时γ会逐渐增大．因为n>1，所以i>γ，i最大能增加到90°，这时有＝n，所以γ最终增大到γmax＝arcsin. 活动3：如图乙，光从玻璃射向空气发生了反射和折射，折射角γ和入射角i有什么关系？ 提示：＝n. 活动4：图乙中，随着入射角i的增大，根据上述关系，猜测最终会出现什么现象？ 提示：根据＝n，i增大时γ会逐渐增大．因为n>1，所以i<γ，γ最大能增加到90°，这时有＝n，imax＝arcsin，再增大入射角，就无法判断了，应做实验观察会发生什么． 1．光疏介质和光密介质 对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的称为光疏介质，折射率较大的称为光密介质．光疏介质与光密介质是相对的． 注：光疏介质和光密介质是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小．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．全反射 (1)全反射及临界角的概念 ①全反射：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．如图所示． 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ic表示． (2)全反射的条件 要发生全反射，必须同时具备两个条件： ①光从光密介质射入光疏介质． ②入射角等于或大于临界角． (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，sinic＝. ②定性关系：光从光密介质射入光疏介质，光密介质的折射率越大，发生全反射的临界角就越小，越容易发生全反射． (4)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． 例1　(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ.光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中．如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则(　　) A．只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象 B．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象 C．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象 D．不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象 (1)在界面Ⅰ上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？能发生全反射吗？ 提示：在界面Ⅰ上光由光疏介质(空气)进入光密介质(玻璃)，不能发生全反射． (2)在界面Ⅱ上的入射角能大于临界角吗？ 提示：不能．界面Ⅱ上的入射角总等于界面Ⅰ上的折射角，总小于临界角． [规范解答]　在界面Ⅰ上光由空气进入玻璃，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不可能发生全反射现象，A错误，C正确；在界面Ⅱ上光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，故入射角总是小于临界角，因此也不可能发生全反射现象，B错误，D正确． [答案]　CD 　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)若光由光密介质进入光疏介质，则根据sinic＝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、运算及进行动态分析或定量计算． 　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ic 临界角ic满足sinic＝＝ 亮光区域的半径为r＝htanic＝7× m＝3 m 因此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＝189 m2. 课堂任务　全反射的应用　　 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：全反射现象在生活中很常见．已知海面上温度较低，且空气密度越大，折射率越大，试分析图甲中现象产生的原因． 提示：海面附近空气温度较低，空气密度较大，折射率较大；高空空气密度较小，折射率较小．远方景物的光线向折射率较小的高空传播时，会逐渐向下偏折，当入射角等于或大于临界角时发生全反射，如图所示，人逆着全反射后传播的光线看去，就看到远处景物的像． 活动2：全反射现象在生产生活中的应用非常广泛．图乙中光为什么会这样传播？这样传播光有什么好处？ 提示：光在弯曲的光纤内传播时，如果从纤芯射向包层的入射角等于或大于临界角，就会发生全反射，于是光在光纤内沿着锯齿形路线传播．因为全反射反射率高，所以光的强度减弱慢，这样做可以沿弯曲路径导光，且可以传播很远． 1．光导纤维的工作原理 光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端．光纤由纤芯和包层组成，如图乙所示，纤芯的折射率大于包层的折射率，以合适角度进入光纤的光能够在纤芯和包层的界面上发生全反射，并以折线的形式沿着光纤传播，即使是弯曲的光纤也能导光，这使得光的传播方向可以通过光纤任意改变．另一方面，当光在其中传输时，发生全反射，从而大大减少了光的损耗，即使传输到很远的距离仍然有很高的光能，即信号的衰减很小，以此实现信号的传输． 2．光纤技术的实际应用 (1)光缆 实际应用中，通常把许多光纤组合制成光缆．光缆中的每条光纤都独立导光互不干扰．因此，制作光缆时，只要使其两端各条光纤的排列位置一致，就可以用来传送图像，医学上用来检查人体消化道的内窥镜就利用了光缆的这种性质． (2)光纤通信 光是一种电磁波，可以作为一种载体传递信息．载有声音、图像等信号的激光从光纤的一端输入，可以沿着光纤传到千里以外的另一端，实现光纤通信．光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络正以惊人的速度进入千家万户． 例2　如图所示，AB为有机玻璃棒，A、B之间距离为s，使一光脉冲信号从有机玻璃棒A端中间入射，射入后在有机玻璃棒与空气的界面上恰好发生全反射，由A端传输到B端所用时间为t，求有机玻璃棒的折射率n.(已知光在真空中的传播速度为c) (1)“恰好发生全反射”意味着什么？ 提示：入射角α等于临界角ic. (2)光在有机玻璃棒中的传播速度等于真空中的光速吗？ 提示：不等于．光在有机玻璃棒中的传播速度为v＝. [规范解答]　由全反射规律有sinα＝sinic＝ 又n＝ t＝＝ 联立以上各式解得t＝＝， 所以n＝. [答案]　 　全反射的应用要注意的问题 (1)全反射发生在光从光密介质射入光疏介质时． (2)恰好发生全反射现象时，应用公式sinic＝和v＝解题． (3)正确作出光路图，利用几何边角关系分析． 注意：个别试题需要利用数学知识求函数的极值． 　一种“光开关”的“核心区”如图虚线框区域所示，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，直角边与虚线框的边长平行，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，则为“开”，否则为“关”．已知棱镜对a的折射率为1.5，下列说法正确的是(　　) A．单色光a在棱镜中的速度是在真空中速度的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是光疏介质，有可能实现“开”功能 D．若充入的介质相对棱镜是光密介质，有可能实现“关”功能 答案　C 解析　根据n＝、na＝1.5知，单色光a在棱镜中的速度是在真空中速度的，A错误；单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，在1的斜面处的入射角为45°，而全反射临界角为sinic＝＝<sin45°＝，可知若不充入介质，光在1的斜面上发生全反射，不能通过2，实现“关”功能，B错误；若充入的介质相对棱镜是光疏介质，光有可能在1的斜面不发生全反射而通过2，实现“开”功能，C正确；若充入的介质相对棱镜是光密介质，光会在1的斜面上进入介质，因为两斜面平行，可知光一定水平通过2，实现“开”功能，D错误． 1．(光密介质与光疏介质)(多选)下列说法正确的是(　　) A．因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质 B．因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质 C．同一束光，在光密介质中的传播速度较大 D．同一束光，在光密介质中的传播速度较小 答案　BD 解析　因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质，A错误，B正确；由v＝可知，同一束光在光密介质中的传播速度较小，故C错误，D正确． 2．(全反射的条件)(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．(临界角)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＝，sinic＝，得sinic＝＝＝，解得ic＝30°，C正确． 4．(全反射的应用)如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理．它虽然本身不发光，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，使汽车司机注意到前面有自行车．下面说法中正确的是(　　) A．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射 B．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射 C．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射 D．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射 答案　C 解析　汽车灯光应从右面射向自行车尾灯，光在尾灯内部左表面发生全反射，使自行车后面的汽车司机发现前面有自行车，避免事故的发生，A、B、D错误，C正确． 5.(全反射的计算)为测量一块等腰直角三棱镜△ABC的折射率，用一束光沿平行于BC边的方向射向AB边，如图所示．光束进入棱镜后射到AC边时，刚好能发生全反射．该棱镜的折射率为(　　) A. B. C. D. 答案　D 解析　作出光路图，如图所示，根据题意和几何关系可知，i＝45°，n＝，sinic＝，γ＝90°－ic，联立以上各式，可得n＝，D正确． 6．(用全反射解释有关现象)如图甲所示，夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中．古人不明白产生这种景象的原因，对它作了不科学的解释，认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的，因而叫作“海市蜃楼”，也叫蜃景．如图乙所示，沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可即，这也是“蜃景”．下列有关蜃景的说法中错误的是(　　) A．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小 B．沙面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小 C．A是蜃景，B是景物 D．C是蜃景，D是景物 答案　B 解析　海面上，下层空气的温度比上层低，则下层空气的密度比上层要大，故下层空气的折射率比上层空气的折射率要大，A正确；由于人眼认为光是沿直线传播的，故A是蜃景，B是景物，C正确；太阳照到沙面上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小，即上层空气的折射率大，B错误；从远处物体射向沙面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，会发生全反射，人们逆着光线看去，就会看到远处物体的倒影，故C是蜃景，D是景物，D正确．本题选说法错误的，故选B. 7.(全反射的计算)如图所示，一束光从空气中垂直入射到折射率为的直角三棱镜．求从棱镜第一次射出的光线与原入射方向的夹角． 答案　30° 解析　如图所示，光线射到直角三棱镜的斜边时，由几何关系知i＝60°， 设全反射的临界角为ic，则有sinic＝＝，而sini＝，可得sini>sinic，即i＞ic，故光射到斜边上时发生全反射． 由几何关系知，光反射到另一直角边时的入射角：i′＝30°， 设光从另一直角边射出时的折射角为γ，由折射定律有＝，解得：γ＝60°， 所以从棱镜第一次射出的光线与原入射方向的夹角为：α＝90°－60°＝30°. 8.(光的折射与全反射综合)(多选)如图所示是一玻璃球体，其半径为R，O为球心，AB为水平直径．M点是玻璃球的最高点，来自B点的光线BD从D点射出，出射光线平行于AB，已知∠ABD＝30°，光在真空中的传播速度为c，则(　　) A．此玻璃的折射率为 B．光线从B到D需用时 C．若增大∠ABD，光线不可能在DM段发生全反射现象 D．若减小∠ABD，从AD段射出的光线均平行于AB 答案　AB 解析　由题图及几何关系可知光线在D点的入射角为i＝30°，折射角为γ＝60°，由折射定律得n＝，故n＝，A正确；光线在玻璃球中的传播速度为v＝＝c，由题图知BD＝R，所以光线从B到D需用时t＝＝，B正确；若增大∠ABD，入射角增大，当光线射向DM段时，射向M点时入射角最大，为45°，而临界角满足sinic＝＝<＝sin45°，即ic<45°，故光线可能在DM段发生全反射现象，C错误；∠ABD＝i，由图知∠DOA＝2i，只有当r＝2i时，从AD段射出的光线才平行于AB，又因为＝，解得i＝30°，即要使出射光线平行于AB，则入射角必为30°，即∠ABD必为30°，D错误． 9．(色光的折射和全反射)在北方寒冷的冬天，有时会出现“多个太阳”的“幻日”奇观，这是空气中的水蒸气在极冷的大气里凝结成了小冰晶，太阳光线通过冰晶发生折射的缘故．如图所示为太阳光照射到六角形冰晶上折射的光路图，a、b是太阳光中的两种单色光，由此可以判断，冰晶对单色光a的折射率________(填“大于”或“小于”)冰晶对单色光b的折射率，单色光a在冰晶中的传播速度比单色光b在冰晶中的传播速度________(填“大”或“小”)．如果让太阳光从水中射向空气，逐渐增大入射角，则a、b两种单色光中，单色光________(填“a”或“b”)更容易发生全反射． 答案　小于　大　b 解析　光从空气斜射到冰晶上，由题图可知，单色光b偏折较大，单色光a偏折较小，所以冰晶对单色光a的折射率小于冰晶对单色光b的折射率；根据v＝可知，单色光a在冰晶中的传播速度比单色光b在冰晶中的传播速度大；让太阳光从水中射向空气，根据sinic＝知，单色光b的临界角较小，所以单色光b比单色光a更容易发生全反射． [名师点拨]　因为介质的折射率与光的颜色有关，所以全反射临界角不仅与介质有关，还与光的颜色有关． 10．(全反射与光导纤维)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，如图甲所示．一束激光由真空沿半圆柱体的径向与其底面过O点的法线成θ角射入，CD为光学传感器，用以探测光的强度．从AB面反射回来的光强随θ角变化的情况如图乙所示．现在将这种新材料制成一根光导纤维束并将其弯成半圆形，如图丙所示，暴露于空气中(假设空气的折射率与真空相同)，设半圆形光导纤维束的外径为R，光导纤维束的半径为r.(已知sin53°＝0.8) (1)求这种新材料的折射率； (2)用同种激光垂直于光导纤维的端面EF射入，若该束激光不从光导纤维的侧面外泄，求弯成的半圆形的外径R与光导纤维半径r应满足的关系． 答案　(1)1.25　(2)R≥10r 解析　(1)由题图乙知，当θ＝53°时，激光恰好发生全反射，即ic＝θ＝53°，则n＝＝＝1.25. (2)激光不从光导纤维束侧面外泄的临界条件是入射光在光导纤维束的外侧面处刚好发生全反射，临界光路如图所示， 根据几何关系，有sinic＝， 解得R＝10r，实际入射角i≥ic，则R≥10r. 14 学科网（北京）股份有限公司 $$