4.2 全反射 学案-2025-2026学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

第2节 全反射 学案 学习目标： 1.能正确区分光疏介质和光密介质． 2．能正确理解全反射、临界角的概念． 3．能用全反射的条件计算有关问题和解释相关现象． 4．知道光导纤维的工作原理以及在生产、生活中的应用. 知识梳理： 一、全反射 1．光疏介质和光密介质 (1)定义：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． (2)对光疏介质和光密介质的理解 ①光疏介质和光密介质是相对而言的，同一种介质，相对其他介质来说可能是光疏介质，也可能是光密介质． 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光从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角． ④光疏和光密是相对介质的光学特性来说的，并不指它的密度大小． 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．如果入射角逐渐增大，折射光离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强．当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射．这时的入射角叫作临界角． (2)折射率与临界角的关系：sin C＝． (3)发生全反射的条件 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． 二、全反射棱镜 1．全反射棱镜是截面为等腰直角三角形的棱镜． 2．全反射棱镜的特点 (1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达100%. (2)反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小． 3．全反射棱镜改变光路的两种常见情况．如图甲、乙所示． 三、光导纤维 1．光导纤维导光的原理：全反射． 2．光导纤维构造 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．光纤通信的优点是传输容量大、衰减小、抗干扰性强等． 4．光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等． 重、难点理解： 一．对全反射现象的理解 1．光疏介质和光密介质的理解 (1)对光路的影响：根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质(例如由空气射入水)时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质(例如由水射入空气)时，折射角大于入射角． (2)光疏介质和光密介质的比较 光的传播速度 折射率 光疏介质 大 小 光密介质 小 大 (3)相对性：光疏介质、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定谁是光疏介质或光密介质． 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． (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． (4)临界角 ①定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角为全反射的临界角，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＝. ③不同色光的临界角：不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射． 典例1：一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面．在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上．已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求平板玻璃的折射率． [解析]　根据全反射定律，圆形发光面边缘发出的光线射到玻璃板上表面时入射角为临界角(如图所示)，设为θ，且sin θ＝. 根据几何关系得sin θ＝　　而L＝R－r 联立以上各式，解得n＝ . [答案]　 二．全反射的应用问题分析 1．全反射棱镜 横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜．它在光学仪器里，常用来代替平面镜，改变光的传播方向．光通过全反射棱镜时的几种方式： 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) 2.光导纤维：用光密介质制成的用来传导光信号的纤维状的装置． (1)光纤原理：“光纤通信”利用了全反射原理． 实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，一定程度上可以弯折，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套组成． 如图所示，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，使反射光的能量最强，实现远距离传送． 　　　(２)光纤的应用：携带着数码信息、电视图像、声音等的光信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信． 典例２：由于激光是亮度高、方向性好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为高速传输信息的载体．要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多少？ [解析]　设激光束在光导纤维前端的入射角为θ1，折射角为θ2，折射光线射向侧面时的入射角为θ3，如图所示． 由折射定律n＝　　　由几何关系θ2＋θ3＝90° 则sin θ2＝cos θ3 由全反射临界角公式sin θ3＝　　　故cos θ3＝ 要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射， 应有θ1＝90°，sin θ1＝1 故n＝＝＝＝ 解得n＝.　　　　[答案]　 当堂达标： 1．(对全反射现象的理解)夏天，海面上下层空气的温度比上层空气的温度低．可以设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成的．景物发出的光线由于不断被折射，越来越偏离原来的方向、人们逆着光线看去就出现了蜃景．如图所示，则下列说法正确的是(　　) A．蜃景是景物由于海平面对光的反射所成的像 B．海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率大 C．A是蜃景，B是景物 D．B是蜃景，A是景物 2．(对全反射现象的理解)(多选)在高山湖泊边拍摄的风景照片，湖水清澈见底，近处湖面水下的树枝和池底都看得很清楚，而远处则只看到对岸山峰和绿树的倒影，水面下的景物则根本看不到．下列说法中正确的是(　　) A．远处山峰的倒影非常清晰，是因为来自山峰的光线在水面上发生了全反射 B．光从空气射入水中，光的波速变小 C．远处水面下景物的光线到水面处，入射角较大，可能发生了全反射，所以看不见 D．来自近处水面下景物的光射到水面处，入射角较小，反射光强而折射光弱，因此有较多的能量射出水面而进入人的眼睛中 3．(对全反射现象的理解)(多选)透明的水面上有一圆形荷叶，叶梗直立在水中，紧靠叶梗有一条小鱼，在岸上的人恰能看到小鱼，则(　　) A．当小鱼潜深点时，人就看不见它 B．当小鱼潜深点时，人照样能看见它 C．当小鱼上浮点时，人就看不见它 D．当小鱼上浮点时，人照样看见它 4．(全反射棱镜)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，尾灯由透明介质制成，其外形如图所示，下面说法正确的是(　　) A．汽车灯光从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射 B．汽车灯光从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射 C．汽车灯光从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射 D．汽车灯光从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射 参考答案： 1.解析：选C．当大气层比较平静时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小，海面上空气的温度比空中低，空气的折射率下层比上层大．远处的景物发出的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较低的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角大到临界角时，就会发生全反射现象．在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像．这就是海市蜃楼的景象． 2.解析：选BC．远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了反射，但不是全反射，因为全反射只有光从光密介质射入光疏介质时才可能发生，故A错误；光线由空气射入水中，光的波速变小，故B正确；远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，当入射角大于等于全反射临界角时能发生全反射，光线不能射出水面，因而看不见，故C正确；近处水面下景物的光线到水面处，入射角越小，反射光越弱而折射光越强，射出水面而进入人眼睛中能量越多，故D错误． 3.解析：选BC．小鱼下潜一点后，它的入射角变小，光线能折射出水面，人能看到鱼，同理，鱼上浮一点，入射角大于临界角，发生全反射，所以，B、C正确，A、D错误． 4.解析：选C．我们从题图中取一个凸起并作出一条光路如图所示．由图可知，每一部分相当于一块全反射棱镜，要想让后面的司机看到反射光，因此光只能从右侧(直边)射入，经过尾灯左表面反射回去，故C正确，A、B、D错误． 学科网（北京）股份有限公司 $