第4章 第3节 光的全反射～第4节 光导纤维及其应用(课件PPT)-【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第一册学习笔记（鲁科版）

该高中物理课件围绕全反射现象展开，系统涵盖定义、临界角、光疏与光密介质、发生条件及全反射棱镜、光导纤维等应用。通过铁球入水变亮、鱼缸气泡亮晶晶等生活现象导入，从基础概念到应用实例递进，构建连贯的学习支架。 其亮点在于结合“思考与讨论”（如辨析密度与光密介质关系）和例题（不同色光光斑面积计算）培养科学思维，融入沙漠蜃景、光纤通信等实例渗透科学态度与责任。采用“梳理总结+问题探究+分层练习”模式，助力学生深化物理观念，教师可高效实施教学。

DISIZHANG 第4章 第3节　光的全反射 第4节　光导纤维及其应用 1 1.知道什么是光疏介质和光密介质，理解它们具有相对性。 2.通过实验了解全反射现象，掌握临界角的概念和发生全反射的条件，能判断是否发生全反射(重点)。 3.能利用光的折射定律和全反射条件解释自然现象。 4.理解全反射棱镜的工作原理，了解全反射棱镜的应用(难点)。 5.理解光导纤维的工作原理，了解光导纤维的应用(难点)。 学习目标 2 一、全反射及其产生条件 二、全反射现象 三、全反射棱镜 内容索引 课时对点练 四、光导纤维及其应用 3 全反射及其产生条件 一 4 夏天的早晨，从某方向看植物叶子上的露珠会格外明亮。玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮。这是什么道理呢？ 答案　光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，将有更多的光反射到人的眼睛里，人就会感觉特别明亮。 1.全反射 光从某种介质入射到空气中时，折射角 入射角，当入射角增大到一定程度时， 完全消失，全部光都被 回介质内。这种现象称为全反射现象，简称全反射。 说明：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，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，光全部返回原来的介质，反射光线的能量等于入射光线的能量。 梳理与总结 大于 折射光 反射 2.临界角 (1)定义：刚好发生全反射，即折射角等于 时的入射角，用字母__表示，光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角C与介质的折 射率n的关系是_________。 (2)不同介质的临界角 (填“相同”或“不同”)。 (3)介质的临界角越小就越 (填“容易”或“不容易”)发生全反射。 90° C 不同 容易 3.光疏介质和光密介质 (1)光疏介质：折射率较 (填“大”或“小”)的介质。 (2)光密介质：折射率较 (填“大”或“小”)的介质。 (3)光疏介质与光密介质是 (填“相对”或“绝对”)的。例如：水晶与水相比，水晶为 介质，水为 介质；水与空气相比，水为 介质，空气为 介质。 4.发生全反射的条件 (1)光从 介质射入 介质。 (2)入射角 临界角。 小 大 相对 光密 光疏 光密 光疏 光密 光疏 大于等于 思考与讨论 答案　不对，折射率反映介质光学性质的物理量，与介质的密度没有必然联系。酒精和水相比较，ρ酒精<ρ水，但n酒精>n水。 1.“两种介质相比较，密度大的介质一定是光密介质”，这种说法对吗？试举例说明。 2.“当光从水射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射”(已知n水＝1.33，n玻＝1.50～2.00)，这种说法正确吗？为什么？ 答案　不正确。要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质。而水相对玻璃是光疏介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射。 (1)光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象。 (　　) (2)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。 (　　) (3)同一束光，在光密介质中的传播速度较大。 (　　) × × × 易错辨析 　(2023·三明市高二月考)一束光线从折射率为1.5的玻璃射入空气，在界面上的入射角为45°。如图所示的四个光路图中正确的是 例1 √ 　(2023·福建莆田华侨中学高二期中)在一个半径为r的圆形轻木塞中心插一大头针，然后把它倒放在液体中，调节大头针插入的深度，当针头在水面下深度为d时，观察者不论在液面上方何处，都刚好看不到液体下方的大头针(如图所示)。求液体的折射率。 例2 如图 拓展　若在深度d处有一点光源，能发出红光和紫光两种色光，则这两种色光在水面形成的光斑面积哪个更大？(通过计算说明) 答案　见解析 设色光的折射率为n，如图所示，从点光源S射到水面M处的光线刚好发生全反射。 面积S＝πR2 ③ 因为n红<n紫，所以S红>S紫 即红光形成的光斑面积大。 返回 全反射现象 二 17 1.当熏黑的铁球放入水中时，球面和水之间形成 。日光从水照射到空气层时，会有部分光发生 ，球看上去就变得锃亮了(如图)。 空气层 全反射 2.鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，也是由于光射到气泡上发生了 。 全反射 3.沙漠蜃景 小 太阳照到沙地上，接近地面的热空气比上层空气的密度小，折射率也 。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 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(如图)。 大于 　 (多选)夏天，海面上出现了蜃景，如图所示，下列说法正确的是 A.海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小 B.海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要大 C.A是景物，B是蜃景 D.A是蜃景，B是景物 例3 √ √ 夏天海面上的下层空气的温度比上层低，下层空气 的密度比上层大，折射率也比上层大，故A正确， B错误； 远处的景物发出或反射的光线射向空中时，由于不断被折射，射向折射率较小的上一层空气层的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中，由此可知，题图中A是蜃景，B是景物，故C错误，D正确。 返回 全反射棱镜 三 23 1.图形横截面为等腰直角三角形的玻璃棱镜(各种玻璃的临界角为30°～42°)，甲、乙两幅图中光线垂直界面射入棱镜，在棱镜内发生了什么现象？其作用是什么？ 答案　棱镜内发生了全反射现象，其作用是改变光的传播方向。 2.图中，光线以平行于斜边的方向从图示界面射入棱镜，在棱镜内会发生什么现象？画出光路图。 答案　棱镜内发生了全反射现象，光线传播方向发生了侧移，如图所示。 1.全反射棱镜：截面为 三角形的棱镜。 2.全反射棱镜改变光路的几种情况 梳理与总结 　　入射方式 项目　　　　 一 二 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 ______ ________ _____________ 等腰直角 90° 180° 0°(发生侧移) 3.特点：全反射棱镜比平面镜的反射率高，几乎可达100%。反射面不必涂任何反光物质，反射失真小。 4.应用：双筒望远镜、潜望镜、自行车尾灯等。 (1)全反射棱镜可以使光线传播的方向改变90°。(　　) (2)用任意一种材料制作的等腰直角三棱镜都是全反射棱镜。 (　　) (3)全反射棱镜和平面镜相比，反射时能量损失要小。(　　) × √ √ 易错辨析 　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 例4 √ 四个选项的光路图如图所示： 可知B项正确。 返回 光导纤维及其应用 四 31 1.光导纤维的工作原理 (1)光导纤维：把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，再包上折射率比它 的材料，就制成了光导纤维，简称 。 (2)传导原理：光纤一般由折射率较 的玻璃内芯和折射率较 的外层透明介质组成。光在光纤内传播时，由光密介质(n1)入射到光疏介质(n2)，若入射角 ，光就会在光纤内不断发生全反射。 (3)作用：传输光、图像或者其他信息。 (4)应用：光纤通信，医学及工业内窥镜，饰品等。 2.光纤通信的优点 光缆大大增加了声音、图像和数据量的传输，其通信容量远大于电缆。 小 光纤 高 低 i≥C (1)光导纤维内芯折射率比外套的折射率小。 (　　) (2)光在光导纤维中传播时会在内芯与外套的界面上发生全反射。 (　　) (3)容量大和抗干扰能力强都是光纤通信的优点。(　　) × √ √ 易错辨析 　(2024·苏州市高二月考)如图所示，一根长为L的直圆柱状光导纤维，当一束激光射向它的左端面中点，且光线与端面夹角为30°时，恰好不能从侧壁射出，光在真空中的传播速度为c。 例5 (1)求该光导纤维的折射率； 作出光路如图所示 由于光恰好不能从侧壁射出，可知光刚好在上下两侧发生全反射，即γ角为临界角C， 则有β＋C＝90°， (2)调整激光束的入射方向，试求光在光导纤维中经历的最长时间t。 拓展　调整激光束的入射方向，光在光导纤维中经历的最短时间是多少？ 返回 课时对点练 五 39 考点一　全反射及其产生条件 1.(多选)(2023·云南昆明一中高二期中)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时，随着入射角不断 增大，在界面上会发生全发射 D.若该单色光由介质Ⅱ射向介质Ⅰ时，随着入射角不断 增大，在界面上会发生全发射 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 基础对点练 13 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 在介质Ⅱ的折射角较大，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； 单色光由光密介质射向光疏介质时，随着入射角增大才能发生全反射，故C正确，D错误。 2.(多选)酷热的夏天，在平坦的柏油公路上，你会看到在远处的路面显得格外明亮，仿佛有一片“水面”，如图所示，但当你向“水面”靠近时，“水面”也随着你的靠近而后退，对此现象正确的解释是 A.这一现象是由光的折射和光的反射造成的 B.“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉 C.太阳辐射到地面，使地表温度升高，附近空气折射 率变大，发生全反射 D.太阳辐射到地面，使地表温度升高，附近空气折射率变小，发生全反射 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 酷热的夏天柏油路面温度较高，路面上方下层空气的温度比上层空气的温度高，下层空气的折射率比上层的小，由路面向上空气的折射率逐渐变大，太 阳光斜向下射向路面过程中是由光密介质射入光疏介质，经过多次折射使入射角逐渐变大，达到临界角时发生全反射现象，故人们会看到远处的路面仿佛有一片“水面”，故A、D正确。 3.(2023·石家庄市高二月考)某物理兴趣小组设计了如图所示的探究实验：将透明塑料圆盒装一半水，形成半圆形水柱，水中加少量色素，利用丁达尔效应，让学生可观察到液体中的光路。用激光沿半径方向射到半圆水柱的圆心，并从水面射到空气中。增大入射角θ，当折射光刚好在水面上方消失时，可读出此时的入射角θ即为全反射临界角。若在操作时，水略微超过了圆盒容积的一半，激光仍对准圆心入射，则临界角的测量值会 A.偏大 B.不变 C.偏小 D.无法确定 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 根据题意，光路图如图所示， 入射光线的方向不变，由图可得，发生全反射的临界角相等，即临界角的测量不变，故选B。 4.(多选)如图所示，ABCD是两面足够大的平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的分界面，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，如果改变光线到达界面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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 在界面Ⅰ上光由空气射入玻璃砖，是由光疏介质射入光密介质，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，则选项C正确； 在界面Ⅱ上光由玻璃射入空气，是由光密介质射入光疏介质，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，入射角总是小于临界角，因此光线在界面Ⅱ上也不会发生全反射现象，选项D正确。 5.(2023·岳阳市高二月考)一束光垂直BC面射入如图所示的透明三棱镜中，棱镜折射率n＝ ，求： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (1)在图上画出光第一次从三棱镜中射出的光路图； 答案　见解析图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 解得C＝45° 由几何知识可知i＝60°＞C 光在AB上发生全反射， 又α＝30°，则光在AC面上发生折射，光路图如图所示。 (2)光第一次从三棱镜中射出时的折射角。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案　45° 考点二　全反射棱镜 6.(2023·南宁市高二月考)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.平行于AB边的光线④ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题意可知光线在棱镜与空气界面发生全反射的临界角C＝ <45°，根据几何关系可知光线在AC面的入射角为45°，所以光线在AC面发生全反射，反射光线平行于AB，而在BC面 13 的入射角也为45°，也会发生全反射，最终垂直于AB射出棱镜，所以出射光线是平行于入射光线的光线②，故选B。 考点三　光导纤维的工作原理 7.(2023·重庆市沙坪坝区高二月考)光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播。下列关于光导纤维的说法中错误的是 A.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 B.内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射 C.光纤通信有传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等多方面优点 D.医学上利用光纤制成内窥镜，来检查人体胃肠、气管等脏器 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 根据光导纤维原理可知，光从内芯向外套传播时发生全发射，则根据全反射的条件可知，内芯的折射率要比外套的大，故A正确，B错误； 光纤通信具有传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等优点，故C正确； 医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体胃肠、气管等脏器的内部。它利用了光的全反射原理，故D正确。 8.(2023·莆田市高二月考)“水流导光”实验装置如图所示。长直开口透明塑料瓶内装有适量清水，在其底侧开一小孔，水从小孔流出，形成弯曲不散开的水流，用细激光束透过塑料瓶水平射向该小孔，观察到激光束没有完全被限制在水流内传播。下列操作中，能使激光束完全被限制在水流内传播的是 A.从瓶口往瓶内打气 B.增大激光的强度 C.改用波长更长的激光 D.改用折射率更小的液体 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 能力综合练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当从瓶口往瓶内打气，则从孔中射出的水流速度会 变大，水流轨迹会变得平直，激光在水和空气界面 处的入射角会变大，则有大部分光会在界面处发生 全反射，这种现象相当于光导纤维的导光现象，故A正确； 当增大激光的强度时，不会改变光在水流中的入射角，光在水流中仍不会发生全反射，故B错误； 若改用波长更长的激光或者折射率更小的液体，只能增大临界角，光从水中射向空气的入射角仍小于临界角，出现折射现象，故C、D错误。 13 9.一透明体的横截面如图所示，四分之一圆弧BC对应的半径为R，∠AOB＝90°，∠OAB＝60°，一单色光从OA面上的D点垂直OA射入透明体，经AB面反射后恰好在圆弧上的E点发生全反射，最终从OC上的F点(未标出)射出。已知弧BE长为 ，则透明体对该单色光的折射率为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 根据已知条件作出的光路图如图所示 10.单镜头反光相机简称单反相机，它用一块放置在镜头与感光部件之间的透明平面镜把来自镜头的图像投射到对焦屏上。对焦屏上的图像通过五棱镜的反射进入人眼中。如图为单反照相机取景器的示意图，ABCDE为五棱镜的一个截面，AB⊥BC，光线垂直AB射入，分别在CD和EA上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光线垂直BC射出。若两次反射都为全反射，则该五棱镜折射率的最小值是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 11.(2023·湖北卷)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 12.(2023·北京市海淀区高二月考)折射率为n、长度为L的玻璃纤维置于空气中，若从A端射入的光线能在玻璃纤维中发生全反射，最后从B端射出，如图所示，求： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (1)光在A面上入射角应满足的条件？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (2)若要使从A端射入的光线不论入射角多大，都能在纤维中发生全反射，而从B端射出，纤维的折射率不能小于多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13.(2023·青岛市高二期末)一束细光束由真空沿着径向射入一块半圆柱形透明体，如图甲所示，对其射出后的折射光线的强度进行记录，发现折射光线的强度随着θ的变化而变化，如图乙所示，则下列说法正确的是 A.透明体的临界角为30° B.透明体的临界角为60° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 尖子生选练 13 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题图乙可知，当θ小于等于30°，即入射角大于等于60°时，折射光线的强度为零，光线发生全反射现象，所以此透明体的临界角为60°，故选项A不合题意，选项B符合题意； 13 返回 BENKEJIESHU 本课结束 sin C＝ 设玻璃的临界角为C，则有sin C＝＝<，可得C<45°。光线从玻璃射入空气时入射角为i＝45°>C，所以光线将在玻璃与空气的界面上发生全反射，光线全部反射回玻璃，故选A。 答案　 从A点发出的光到达B点恰以临界角C入射，因此sin C＝，且sin C＝，所以n＝。 由sin C＝ ① tan C＝ ② 由①②③得，面积S＝ 答案　 根据折射定律公式有n＝， 根据题意有n＝， 根据临界角与折射率的关系有n＝，解得n＝。 答案　 光在光纤内是以全反射的方式传播的，每次的入射角 都大于或等于临界角，但等于临界角时路程最大，时间 最长，如图所示，sin C＝＝，Δs＝nΔl，则总路程为 s＝nL，光线在光导纤维中传播的速度v＝，所以光在光导纤维中传播的最长时间为t＝＝＝。 答案　 由光路图可知，光线在光导纤维中传播的最短总距离为s′＝L，光线在光导纤维中传播的速度v＝，所以光在光导纤维中传播的最短时间为 t短＝，解得t短＝。 由临界角公式得sin C＝＝ 由折射定律得n＝＝＝ 可得sin β＝，解得β＝45° arcsin <arcsin A. B. C.2 D. 设∠EOB＝θ，结合几何关系有Rθ＝，得θ＝， 由sin θ＝，解得n＝2，故选C。 A. B. C. D. 设入射到CD面上的入射角为α，因为在CD和EA上发生全反射，且两次反射的入射角相等，如图，根据几何关系有4α＝90°，解得α＝22.5°，当光刚好在CD和AE面上发生全反射时，折射率最小，根据sin α＝，解得最小折射率为n＝，故A正确，B、C、D错误。 A.d B.d C.d D.d 设光线在OQ界面的入射角为α，折射角为β， 由几何关系可知α＝30°，则由折射定律n＝ ＝，光线射出OQ界面的临界为发生全反射， 光路图如图所示，其中CS⊥OB，光线在A、B两点发生全反射，由全反射定律sin C＝＝可得，全反射的临界角为45°，AB之间有光线射出，由几何关系可知AB＝2AC＝2CS＝OS＝d，故选C。 答案　光在A面上入射角的最大值是θ1＝arcsin 光路如图，要在纤维中发生全反射，其临界角为C，有sin C＝ 折射角θ2＝90°－C，所以cos θ2＝， sin θ2＝， 由折射定律得sin θ1＝nsin θ2＝ 故入射角的最大值θ1＝arcsin 答案　 当入射角θ1＝90°时，由(1)得n＝ 纤维的折射率不能小于。 C.透明体的折射率为 D.透明体的折射率为 由临界角公式sin C＝，C＝60°，解得折射率n＝，故选项C、D不合题意。 $