4.3 光的全反射与光纤技术 课件 -2025-2026学年高二上学期物理粤教版选择必修第一册

该高中物理课件围绕“光的全反射与光纤技术”展开，涵盖光疏介质和光密介质的相对性、全反射现象及条件、临界角概念，以及光导纤维和全反射棱镜的原理与应用。通过荷叶水珠、玻璃气泡等情境导学引入，衔接生活现象与物理概念，搭建从具体到抽象的学习支架。 其亮点在于以情境问题驱动探究，结合正误辨析深化概念理解，例题涵盖全反射计算（如圆柱形罐体液体临界角分析）和实际应用（如水摄影成像原理）。以物理观念为核心，培养科学思维（模型建构、科学推理），助力学生掌握理论并解决实际问题，教师可借助丰富案例提升教学效率。

第三节　 光的全反射与光纤技术 1.知道光疏介质和光密介质,理解它们的相对性.2.知道光的全反射,会利用全反射解释有关现象.3.理解临界角的概念,能判断是否发生全反射并能画出相应的光路图.(重点) 4.了解全反射棱镜和光导纤维.　　 [学习目标] 知识点一　光的全反射现象 「情境导学」 我们在生活中常见以下现象:图甲所示荷叶上的小水珠看着晶莹透亮;图乙所示玻璃玩具里的小气泡看上去格外明亮.上述情境是什么现象? 提示:光的全反射现象. 「知识整合」 1.光疏介质和光密介质 (1)光疏介质:折射率较 的介质. (2)光密介质:折射率较 的介质. (3)光疏介质与光密介质是 的. 注意:任何两种透明介质都可以通过比较同一种光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质.光疏介质、光密介质与介质密度是不同的,光疏介质与光密介质是从光学特性来说的,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. 小 大 相对 2.全反射现象 (1)全反射:光从光密介质射入光疏介质时,折射角 入射角且随入射角增大而 .当入射角达到一定角度,折射角变成90°,继续增大入射角,折射光线消失,此时入射光线全部被反射回折射率较大的光密介质中,这种现象称为光的全反射. (2)临界角:折射角 时的入射角,记作ic. 大于 增大 等于90° 3.全反射发生的条件 (1)光从 介质射入 介质. (2)入射角 临界角. 注意: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. 4.临界角 (1)折射角等于90°时的入射角. (2)光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时,发生全反射的临界角为ic. 光密 光疏 等于或大于 正误辨析 (1)光密介质是指密度大的介质.(　 　) (2)光由光疏介质射入光密介质后速度减小.(　 　) (3)发生全反射时仍有折射光线,只是折射光线非常弱.(　 　) (4)入射角大于临界角就会发生全反射现象.(　 　) × √ × × [例1] (对全反射的理解)(2025·广东清远联考)如图甲所示,为研究一半圆柱形透明新材料的光学性质,用激光由真空沿半圆柱的径向射入,入射光线与法线成θ角,由光学传感器CD可以探测反射光的强度.实验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变化的情况如图乙所示.光在真空中传播速度为c,则该激光在这种透明新材料中(　　) B [训练1] 某一单色光由空气射入截面为等腰梯形的玻璃砖,或由该玻璃砖射入空气,已知该玻璃砖对该单色光的折射率为1.5,则下列光路图正确的是 (　　 ) [A] 图甲、图丙 [B] 图甲、图丁 [C] 图乙、图丙 [D] 图乙、图丁 C [训练2] 光在某种介质中传播的速度为1.5×108 m/s,光从此介质射向空气并发生全反射时的临界角是ic=　　　　.  30° [例2] (对全反射现象的理解及实际应用)(2022·广东卷)一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体,液体上方是空气,其截面如图所示.一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动,它所发出的光束始终指向圆心O点.当光束与竖直方向成45°角时,恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束.已知光在空气中的传播速度为c,求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v. D 知识点二　光导纤维的工作原理及应用 「情境导学」 在暗室中,使一束极细的激光沿水平方向从小孔对面一侧射入水流中,如图所示,你观察到什么现象? 提示:从实验中可以看出,当入射角大于某一角度时,激光沿着水柱传播,水柱以外几乎没有光.这是因为水柱中的光在水与空气界面发生全反射,激光全被反射回水中. 「知识整合」 1.构造:光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径一般只有1～100 μm,光导纤维简称光纤.由纤芯和包层组成.包层的折射率比纤芯的 ,光传播时在纤芯与包层的界面上发生 . 2.原理:光导纤维利用了光的 原理. 注意:光由一端进入,在两层的界面上经过多次全反射,从另一端射出. 小 全反射 全反射 3.光导纤维纤芯的折射率 设光导纤维的折射率为n,当入射角为θ1时,进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射,如图所示. 4.光纤通信的优点是容量 、衰减 、抗干扰性强等. 大 小 [例4] (光导纤维的构造及工作原理)(多选)(2025·广东广州期末)我国的光纤通信技术处于世界领先水平.光纤主要由纤芯(内层玻璃)和包层(外层玻璃)组成.若某种光纤的纤芯在空气中全反射的临界角为43°(取sin 43°= 0.68,cos 43°=0.73),则下列说法正确的有(　 　) [A] 光纤包层的折射率要比纤芯的小 [B] 光纤包层的折射率要比纤芯的大 [C] 该光纤纤芯的折射率约为1.5 [D] 该光纤纤芯的折射率约为1.4 AC 【答案】(1)2.1×108 m/s　 [思路点拨] (1)已知光导纤维的折射率,可求激光在光导纤维中的速度. (2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少? 【答案】(2)2.7×10-8 s [思路点拨] (2)由折射定律可知光在光导纤维中的折射角,可求出光线在光导纤维中的总路程,进一步可求出光在光导纤维中经历的时间. 知识点三　全反射棱镜的特点及应用 「知识整合」 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,它常用来代替平面镜改变光的传播方向. 2.光通过全反射棱镜时的几种方式 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) [思路点拨] (1)首先画出光路图,由光在AC界面上刚好发生全反射,可知临界角为45°,进一步可求出透明体的折射率. [思路点拨] (2)由折射率可求出光在透明体内的速度,进一步可求出传播 时间. (2)该光束在透明体内传播的时间. 【答案】(1)30° (2)请通过计算说明光线在BC面是否发生全反射; 【答案】(2)见解析 (3)请画出图中两条入射光线到光屏的光路图及在光屏中所成的像,并说明所成像的特征. 【答案】(3)见解析 【解析】(3)光路图如图所示,由图可知,所成像倒立. 感谢观看 (3)临界角与折射率的关系:sin ic= . [A]折射率为 [B]传播速度为c [C] θ=0°时,反射光强度为0 [D]反射光的强度随θ角的增大而增大 【解析】 根据题图乙可知当θ=60°时激光发生全反射,根据临界角公式可得n=c,B正确;θ=0°时大量的激光从O点射出,少量激光反射经过C点,C错误;根据题图乙可知,当θ=60°时激光发生全反射,此后θ角增大,反射光的强度不变,D错误. 【解析】 单色光由空气射入玻璃砖时,折射角小于入射角,题图甲错误,题图乙正确;当该单色光由玻璃砖射入空气时,发生全反射的临界角的正弦值sin ic= =sin 45°,所以临界角 ic<45°,题图丙、丁中该单色光由玻璃砖射入空气时的入射角为47°,大于临界角,会发生全反射,题图丙正确,题图丁错误.故 选C. 【解析】 该介质的折射率n===2,恰好发生全反射时有sin ic==, 则ic=30°. 【答案】 c 【解析】 当入射角达到45°时,恰好到达临界角ic,根据sin ic=, 可得液体的折射率n=, 由于n=,可知激光在液体中的传播速度 v=c. [例3] (全反射在实际生活中的应用)(2025·广东广州期末)如图甲为“水下世界国际摄影大赛”的获奖作品,摄影师在水下对水上的景物进行拍摄,呈现了美轮美奂、令人赞叹的美学效果.忽略镜头尺寸的影响,假设摄影师由水下竖直向上拍摄,光的传播路径如图乙所示.已知水的折射率为,取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,下列说法正确的是(　　) [A] 光线射入水中频率减小 [B] 水中拍摄到的水上景物比实际位置偏低 [C] 进入镜头的光线与竖直方向的夹角θ最大为37° [D] 通过镜头将只能拍摄到岸上一部分的景物 【解析】 光线由水上射入水中时,光的频率不变,故A错误;如图所示,光源S成像在S′处,S′的位置比S的位置偏高,故B错误;当光线在水面的入射角为90°时,水中光线与竖直方向夹角达到最大值,即临界角ic,且sin ic=>0.6,则ic>37°,故C错误;由于实际上入射角达不到90°,所以通过镜头将只能拍摄到岸上一部分的景物,故D正确. 则有sin ic=,n=,ic+θ2=90°,由以上各式可得sin θ1=. 由图可知,当θ1增大时,θ2增大,而从光纤射向空气中光线的入射角θ减小,当θ1= 90°时,若 θ=ic,则所有进入光纤中的光线都能发生全反射,即解得n=,以上是光从光纤射向真空时得到的折射率,由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此折射率要比大些. 【解析】 光在纤芯中传播时,在纤芯和包层的界面上发生全反射,所以纤芯是光密介质,包层是光疏介质,即光纤包层的折射率比纤芯小,A正确,B错误;该光纤纤芯的折射率为n=≈1.5,故C正确,D错误. [例5] (光导纤维的应用)(2025·广东清远联考)如图所示,一根长为l=5.0 m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45°的入射角射入光导纤维内,已知光在真空中的传播速度为c=3.0×108 m/s,经过一系列全反射后从右端射出,则: (1)该激光在光导纤维中的速度v是多大? 【解析】(1)由n=≈2.1×108 m/s. 【解析】(2)由全反射临界角公式sin ic=可知,临界角ic=45°;由n=可得 sin γ=,即光线从左端面射入后的折射角为30°,射到侧面时的入射角为60°,大于临界角45°,因此发生全反射;同理,光线每次在侧面都将发生全反射,直到光线到达右端面.由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s= =,因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t=≈2.7×10-8 s. [例6] (全反射棱镜)(2025·广东东莞期中)如图所示,某透明体的横截面是腰长为a的等腰直角三角形,一细光束从距A点AB长的D点垂直于AB射入透明体,在AC界面上刚好发生全反射.真空中的光速为c,求: (1)透明体的折射率; 【答案】(1) 【解析】(1)光束进入透明体到达AC界面时,入射角i=45°,即临界角ic=45°,故sin ic=,解得n=. 【答案】 【解析】(2)光束在透明体内的光路如图所示,由几何关系得,光在透明体中传播的总路程 s=a, 光在透明体内的速度v=, 所以传播时间t=. [训练3] (2025·广东湛江统考)在光学仪器中,“道威棱镜”被广泛用于图形翻转.如图所示,棱镜的横截面ABCD是底角为45°的等腰梯形.现有一光源F发出一组平行于BC的光线从真空中射入棱镜,已知棱镜材料的折射率n=. (1)求光线穿过AB面时的折射角; 【解析】(1)由题图可知,平行光在AB面的入射角i=45°,根据光的折射定律可得n=, 解得折射角γ=30°. 【解析】(2)根据全反射公式可得n=, 解得临界角ic=45°, 根据几何关系,光线在BC面的入射角为75°>ic=45°,故发生全反射. $