4.3 光的全反射 4.4 光导纤维及其应用 课件-2025-2026学年高二上学期物理鲁科版选择性必修第一册

该高中物理课件聚焦光的全反射及光导纤维应用，核心涵盖全反射条件、临界角、光疏光密介质，以及全反射现象、棱镜和光导纤维工作原理。通过露珠、气泡等自然现象导入，结合半圆形玻璃砖实验观察，构建从生活现象到实验探究再到理论推导的学习支架。 其亮点在于以实验观察（如玻璃砖入射角变化实验）和生活实例（蜃景、内窥镜）为载体，培养科学探究能力与物理观念，通过例题辨析强化科学推理，知识框架式小结助力系统梳理。学生能深化对光现象的理解，教师可依托此资料提升教学效率。

null光通信技术再一次获得了大突破。光纤通信技术和网络国家重点实验室、国家信息光电子创新中心、烽火通讯等多家单位首次实现了1.06PB每秒光传输实验。它使用了我国自主研制的单模19芯特种光纤传输容量是目前商用单模光纤的十倍。这样一根光纤可以实现300亿人同时通话。如果用在传输数据方面，它可以在一秒之内传输130TB的数据。如果按照一部电影4G来计算，这种光纤在一秒内能传输三万多部电影，已经达到了国际先进水平。 茶光在弯曲的有机玻璃棒中传播的路径，激光笔发出的光从弯曲的有机玻璃棒的一端射入。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。这就是光导纤维导光的原理。使用光导纤维的直径只有几微米到100微米，因为很细，一定程度上可以弯折。它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大光，在传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。如果把光导纤维聚集成数，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。 null夏天，那你或许有过这样的经历，明明是三十多度的高温天气，车前的路面上竟然出现了一片积水。等靠近一看，水面有神奇的消。 High School Physics 学习目标 会用全反射条件判断问题 会用光的折射定律和全反射条件解释自然现象 会根据全反射棱镜的工作原理分析问题 会根据光导纤维的工作原理分析问题 难点 重点 难点 重点 01 02 03 04 全反射及其产生条件 01 晶莹剔透的露珠 水中的气泡特别明亮 夏天的早晨，从某方向看植物叶子上的露珠璀璨耀眼。水中的气泡从侧面看也是特别明亮。这是什么道理呢？ 光照射露珠或经水照射气泡时，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。 公司logo 公司logo 情境导入 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。入射角从逐渐增大到90°的过程中，反射光线和折射光线会有怎样的变化？ 公司logo 公司logo 观察与思考 入射角为0，折射角也为0，光线沿直线射出 随着入射角的逐渐增大，折射角逐渐增大，折射光线亮度逐渐减弱；反射角逐渐增大，反射光线亮度逐渐增强 当入射角增大到某一角度时，折射角达到90°，折射光线消失，所有光线全部反射 实验现象 玻璃 空气 玻璃 空气 空气 玻璃 空气 玻璃 公司logo 公司logo 观察与思考 全反射 光从某种介质入射到空气中时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射光完全消失，全部光都被反射回介质内。这种现象称为全反射现象，简称全反射。 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。 公司logo 公司logo 核心知识 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，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sin C= 临界角 临界角C 的大小： 临界角的正弦值： ★不同介质的临界角不同。 ★介质的临界角越小，越容易发生全反射。 公司logo 公司logo 核心知识 光疏介质和光密介质 1.光疏介质：折射率较小的介质 2.光密介质：折射率较大的介质 定义 ★光疏介质与光密介质是相对的。 水晶与水相比，水晶为光密介质，水为光疏介质； 水与空气相比，水为光密介质，空气为光疏介质。 公司logo 公司logo 核心知识 θ1 θ2 空气 N N' A O B 介质 1 θ1 θ3 N N' A O B 空气 介质2 介质1与介质2相对空气是什么介质？介质1相对于介质2呢？ 由n1< n2知，介质1相对介质2是光疏介质 介质1与介质2相对空气都是光密介质 公司logo 公司logo 核心知识 临界角C 的大小： 临界角的正弦值： 玻璃 空气 (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 全反射的 条件 光从折射率较小的介质进入折射率较大的介质时，折射角小于入射角 光从折射率较大的介质进入折射率较小的介质时，折射角大于入射角 公司logo 公司logo 核心知识 (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。(　　) × × × 辨析 1.一束单色光从玻璃射入空气。已知玻璃的折射率n=1.53，当入射角分别为50°、30°时，光能否发生折射？若能，折射角为多大？ 答案　i=50°时不能，i=30°时能，49°54' 光由玻璃射入空气，是由光密介质射入光疏介质，其临界角满足sin C=，代入数值得C=40°50'，当i=50°时，i>C，所以光将发生全反射，不会发生折射；当i=30°时，i<C，所以光进入空气中发生折射现象。由折射定律=，代入数值得r=49°54'。 例题 全反射现象 02 当熏黑的铁球放入水中时，球面和水之间形成空气层。日光从水照射到空气层时，部分光发生全反射，球看上去就变得锃亮了。 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。 水 空气 公司logo 公司logo 核心知识 光由水珠内部射向空气时，大部分光线发生了全反射，与折射出来的光线重叠交织在一起，所以看起来会比较亮。 贴近热路面附近的空气层比上层空气的折射率小，远处物体射向路面的部分光线发生了全反射，从远处看，炎热夏天柏油路面有时看起来特别明亮。 公司logo 公司logo 核心知识 沙漠蜃景(下现蜃景) 接近地面的热空气比上层空气的密度小，折射率也小。 太阳照到沙地 01 当入射角大于临界角时全反射，逆光看时就会看到物体的倒景。 全反射现象 03 从远处射向地面的光，进入折射率较小的空气层时折射。 折射现象 02 公司logo 公司logo 核心知识 海市蜃楼(上现蜃景) 海面上下层空气温度差异 光线折射与全反射 光线返回地面 海面上下层空气温度不同，导致折射率存在差异。 远方物体发出的光线在不同温度的空气中折射并最终发生全反射。 经过全反射的光线再次射回地面，观察者因此看到光线来自空中。 公司logo 公司logo 核心知识 2.(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 √ √ 例题 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。 例题 03 全反射棱镜 全反射棱镜 玻璃棱镜的截面为等腰直角三角形，当光从图中所示的方向射入时，在玻璃内部，入射角大于临界角，发生全反射。 全反射棱镜 与平面镜相比，全反射棱镜的反射率高，几乎可达 100%。这种棱镜在光学仪器中可用来改变光的方向。 全反射棱镜特点 核心知识 1.由AB面垂直入射时 2.由AC面垂直入射时 全反射面为AC，方向变化90 ° 全反射面为AB、BC，方向变化180 ° A B C C B A 3.由AB面平行于A入射时 A B C 全反射面为AC，方向发生侧移 全反射棱镜改变光路的3种情况 核心知识 双筒望远镜、潜望镜、自行车尾灯等。 全反射棱镜应用 核心知识 (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。(　　) × √ √ 辨析 3.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 √ 例题 四个选项的光路图如图所示： 可知B项正确。 例题 光导纤维及其应用 04 激光笔发出的光射入一根弯曲的有机玻璃棒的一端，观察光传播的路径有什么特点。 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。 公司logo 公司logo 情境导入 光导纤维的工作原理 传导原理：光纤一般由折射率较高的玻璃内芯和折射率较低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i ≥C，光就会在光纤内不断发生全反射。 光导纤维：把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，再包上折射率比它小的材料，就制成了光导纤维，简称光纤。 公司logo 公司logo 核心知识 内窥镜 传输光、图像或者其他信息 光导纤维的作用 光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学及工业的内窥镜等。 光导纤维的应用 公司logo 公司logo 核心知识 把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端（图 1）。 医学上用这种光纤制成内窥镜（图2）用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。 实际的内窥镜装有两组光纤，一组把光传送到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。 图2 图1 内窥镜 公司logo 公司logo 核心知识 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。 光纤通信的优点 公司logo 公司logo 核心知识 1966 年，33 岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维(optical fiber)已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了全反射原理。 高锟(1933-2018) 公司logo 公司logo 核心知识 (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。(　　) × √ √ 例题 4.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。 (1)求该光导纤维的折射率； 答案(1) 　 　 (2)调整激光束的入射方向，求光在光导纤维中经历的最长时间t。 例题 (1)作出光路如图所示 根据折射定律有n=， 根据题意有n=， 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°，根据临界角与折射率的关系有n=，解得n=。 例题 (2)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===。 例题 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？ 答案　 由光路图可知，光在光导纤维中传播的最短总距离为s'=L，光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=。 例题 临界角sinC = 光的全反射　 光导纤维及其应用 全反射现象 光导纤维的应用 条件 解释生活中的全反射现象 光密介质进入光疏介质 定义 优点 折射光线消失 反射率几乎100% 入射角大于或等于临界角 全反射棱镜 等腰直角三角形 改变光路 现象 光疏介质和光密介质 全反射及其产生的条件 相对性 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! Lavf58.20.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Lavf57.62.100 $null