第四章 3 光的全反射（配套课件PPT）-【步步高】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册学习笔记（教科版）

该高中物理课件聚焦光的全反射，涵盖现象、条件、临界角与折射率关系及光导纤维应用。通过半圆形玻璃砖实验导入，引导学生观察入射角增大时折射与反射光线变化，衔接反射折射知识，搭建从现象到规律的学习支架。 其亮点在于以问题驱动科学探究，结合实验观察、梳理总结及易错辨析，培养科学思维与物理观念。如通过介质折射率与密度关系讨论，强化科学推理；光导纤维例题分析，提升模型建构能力。助力学生深化概念理解，教师可高效开展分层教学。

第 四 章 光的全反射 3 1.知道光的全反射现象，知道发生全反射的条件，掌握临界角与折射率的关系，能解释生活中的全反射问题(重难点)。 2.了解全反射在光导纤维中的应用，体会物理学对科技进步和社会发展的影响。 学习目标 内容索引 课时对点练 一、全反射 二、全反射的应用——光导纤维 < 一 > 全反射 如图所示，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0逐渐增大，使折射角增大到90°的过程中，反射光线和折射光线会有怎样的变化？ 答案　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。 1.光疏介质和光密介质是 (选填“相对”或“绝对”)的。 2.全反射现象 (1)全反射：光从 介质射到 介质的界面时， 被反射回原介质中传播的现象。 (2)临界角 ①定义：光从某种介质射向真空或空气、折射角为90°时的 ，叫作这种介质的临界角。 ②临界角C与折射率n的关系：sin C=____。 梳理与总结 相对 光密 光疏 全部 入射角 3.全反射的条件 (1)光需从 介质射至 介质的界面上。 (2)入射角必须等于或 临界角。 光密 光疏 大于 如表所示，分别列出了四种物质的折射率、密度值，据此思考以下问题： 讨论交流 答案　不对，光密介质和光疏介质具有相对性，折射率是反映介质光学性质的物理量，与介质的密度没有必然联系。如酒精的密度比水的密度小，但其折射率比水的折射率大，酒精相对于水是光密介质。 介质 水 酒精 玻璃 金刚石 折射率n 1.33 1.36 1.5~1.9 2.42 密度/(×103 kg/m3) 1.0 0.8 2.5~3.0 3.52 (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。 答案　介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射，故光从金刚石射入空气更容易发生全反射。 介质 水 酒精 玻璃 金刚石 折射率n 1.33 1.36 1.5~1.9 2.42 密度/(×103 kg/m3) 1.0 0.8 2.5~3.0 3.52 (2)光从哪种介质射入空气更容易发生全反射？ (1)同一束光，在光疏介质中的传播速度比在光密介质中的传播速度更大。(　　) (2)发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱。(　　) (3)光从空气射向水中时，只要入射角足够大，就可能发生全反射。 (　　) (4)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，在界面发生了全反射。(　　) √ × × √ 易错辨析 　 (2024·成都市高二月考)某种材料制成的透明砖的截面如图所示，△BOC为直角三角形，∠C=60°，OB=d。一细束单色光线从BC的中点P垂直于BC面入射后，在OC面恰好发生全反射。已知光在真空中的速度大小为c，求： (1)透明砖对该光的折射率； 例1 答案　 光线在透明砖中的光路图如图所示 根据几何关系可知，发生全反射的临界角为∠1=60°， 有sin ∠1= 解得透明砖对该光的折射率为n= (2)光线从P点射到OC面所用的时间。 答案　 光在透明砖中的速度大小为v= 由几何关系可得PD=d，光线从P点射到OC面所用时间为t==。 如图甲所示，一束单色光从真空中沿半径射入半圆柱形透明工件，光在圆心O处发生折射和反射，折射光线的强度随着θ的变化而变化(如图乙所示)，sin 53°=，则该工件的折射率为 A. B. C. D. √ 由题图可知，当θ=37°时发生全反射，可知临界角为C=53°，根据sin C =，可得n=，故A正确。 针对训练 　(2024·凉山州高二期末)如图，直角三角形ABN是一棱镜的截面，AB=L，∠A=30°。棱镜材料的折射率为n=。一条光线以45°的入射角从AN边的中点M射入棱镜。不考虑光的多次反射。 (1)画出这条光线从AN进入至NB射出的光路图； 例2 答案　见解析图 (2)这条光线能否在AB边发生全反射？ 答案　能 作光路图如图所示； 由折射定律可知=n，解得r=30°，由几何关 系可知α=60°，而全反射临界角的正弦值sin C ==，故C=45°，因为α>C，所以光线能在AB边发生全反射； (3)求这条光线从棱镜中的出射点到B点的距离x。 答案　 根据光路图可知，光线垂直BN边射出，由几何关系知AN=Lcos 30°， AD=2×cos 30°，由图可知BD=L-AD，所以光线从棱镜中的出射点到B点的距离为x=BDsin 30°=。 应用全反射解决实际问题的基本方法 (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sin C=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，通过运算及变换进行动态分析或定量计算。 总结提升 返回 < 二 > 全反射的应用——光导纤维 如图所示，用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？ 答案　光在有机玻璃棒内经过多次全反射，沿着弯曲的玻璃棒进行传播。 1.构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径从几微米到100 μm不等，如图所示，由两种折射率不同的玻璃制成，分内外两层，内层的折射率大于外层的折射率。 2.光纤的工作原理：由于有机玻璃的折射率 空气的折射率，当光从有机玻璃棒的一端射入时，可以沿着有机玻璃棒的曲面发生多次 ，从另一端射出。 梳理与总结 大于 全反射 3.光纤通信的优点：容量 、衰减 、抗干扰能力强、传输质量高等。 4.光导纤维的应用：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。 大 小 　如图是一段长为L的直光导纤维内层，一单色光从左端面射入光纤，已知光纤对该单色光的折射率为n，光在真空中传播速度大小为c，则该单 色光在光纤中传播的最短时间为　　；若该单色光以任意不为零的入射 角从左端面射入，均能在侧面发生全反射，并从右端面射出，则折射率n的取值范围是　　　　。 例3 　 n≥ 当光线垂直于左端面入射时，光传播的路径最短x=L 光在光纤中传播速度大小为v= 光在光纤中传播的最短时间为t= 联立解得t= 由光路图可知，当光从左端面入射时的入射角为90°时，光进入光纤的折射角最大，且等于临界角，即r=C 这时，光在光纤侧面的入射角有最小值i'=90°-r 要使所有入射光线均能在侧面发生全反射，则应有i'≥C，联立解得C ≤45° 又因为sin C=，所以n≥。 拓展　该单色光在光纤中传播的最长时间为多少？ 答案　 如图所示，设光线在左端面的入射角为i，折射角为α，折射光线射向侧面时的入射角为β，折射光线刚好发生全反射时，对应的光的传播时间最长。 此时有sin β= 光在介质中传播速度的大小为v= 光速沿光纤轴线方向的分量为vz=vsin β 光传播的最长时间tmax= 联立以上各式解得最长时间tmax=。 求解光导纤维问题的注意点 1.全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于或等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。 2.传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值。在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，传播时间最长。 总结提升 返回 < 三 > 课时对点练 题号 1 2 3 4 5 6 7 答案 C D A (1)见解析图　(2)2　 (3) B BD BD 题号 8 9 　10 答案 AD (1)1.5　(2)0.4 mm 　C 对一对 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 考点一　全反射 1.下列有关光学现象的说法正确的是 A.光从光密介质射入光疏介质，若入射角小于临界角，则一定发生全反射 B.光从光密介质射入光疏介质，其频率不变，传播速度变小 C.光可以作为载体来传递信息 D.光在各种介质中的速度相同 基础对点练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 31 光从光密介质射入光疏介质，其频率不变，传播速度变大，若入射角大于或等于临界角，则一定发生全反射，故A、B、D错误； 光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为载体传递信息，故C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 2.如图所示，放在暗室中的口径较大不透明的薄壁圆柱形浅玻璃缸充满水，缸底中心有一红色发光小球(可看作点光源)，从上往下看，则观察到 A.水面有一个亮点 B.充满水面的圆形亮斑 C.发光小球在水面上的像 D.比小球浅的发光小球的像 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 小球所发的光射向水面的入射角较大时会发生全反射，在水面上可以看到一个圆形亮斑，但不是充满水面的圆形亮斑，故A、B错误； 由于光的折射，在水面上可看到比小球浅的发光小球的像，如图所示，故C错误，D正确。 3.图甲为发光二极管，其发光帽是一个透明体。为简化问题，设它由一个半径为R的半球体与一个半径为R的圆柱体组成，过半球球心的纵截面如图乙所示，若二极管的发光部分视为点光源且位于圆柱体内轴线上与 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 半球球心相距为R的O点，光线恰好能从半球体的全部表面射出，不考虑光线在透明体内反射。则透明体的折射率为 A. B. C.2 D. √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 当O点发出的光线射到半球体最右端(或最左端)恰好发生全反射时，整个半球体上均有光线射出，如图所示， 由几何关系可得tan C==1，光线发生全反射时有sin C=，联立解得透明体的折射率为n=。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 4.(2024·成都市高二月考)由某种透明材料构成的棱镜截面为等腰三角形ABC，其中∠A=30°，AB长为a，一束光线与界面垂直射向O点，AO=a，光线在AC界面刚好没有射出，已知真空中光速为c。求： (1)作出光在介质中传播的路线； 答案　见解析图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 光在介质中传播的路线如图所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 (2)这种透明材料的折射率； 答案　2 光线垂直AB射向界面，在AB界面传播方向不发生变化，由几何关系可知，光线在AC界面的入射角为30°；AC边刚好没有光线射出，故在AC 界面刚好发生全反射，所以临界角为30°。由折射定律得n=，解 得n=2。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 (3)光线在这种材料中传播的时间。 答案　 由几何知识可知，光在介质中通过的距离为d=2(a+a)=a，由折射定律有v=，解得t==。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 考点二　全反射的应用——光导纤维 5.如图所示，将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。将激光水平射向塑料瓶小孔，观察到激光束沿水流方向发生了弯曲，光被完全限制在水流内。则下列说法正确的是 A.激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面 上发生折射 B.激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面 上发生全反射 C.仅改用折射率更大的液体，激光束不能完全被限制在液体流内 D.激光在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度 √ 激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射，就像光导纤维一样，A错误，B正确； 仅改用折射率更大的液体，根据sin C=，则临界角更小，激光束仍可在液体流中发生全反射，同样能完全被限制在液体流内，C错误； 根据v=可知，激光在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 6.(多选)一圆柱状的光导纤维，其纵截面MNPQ为矩形，如图所示，MQ为材料的截面直径。与MNPQ在同一平面内的一束单色光，以入射角α= 30°从空气经圆心O射入光导纤维内，恰好未从MN边界射出，则 A.临界角为60° B.折射率为 C.单色光射入后波长变长 D.减小入射角α，传播的时间变短 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 由题意可知，sin C==n， 可得n=，tan C=2，故A错误，B正确； 单色光射入后波速变小，频率不变，根据λ=，则波长变短，故C错误； 减小入射角α，折射角变小，则光线射到侧壁上的入射角β变大，根据t= ，传播的时间变短，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 7.(多选)(2024·雅安市高二期末)高锟是著名的华裔物理学家，因为在光纤通信方面的研究获得诺贝尔物理学奖，被人们尊称为光纤之父。光纤通信中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图甲所示。一束激光由光纤左端的点O以α=60°的入射角射入一长度为L的直线光纤内，恰好在光纤的侧面(侧面与过O的法线平行)发生全反射，如图乙所示。光在空气中的传播速度近似为c，则 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 A.光导纤维能够传输图像但不能传播声音 B.内层对这种激光的折射率n= C.光在该光纤中传播的最短时间为 D.光在该光纤中传播的最长时间为 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 光导纤维可以传输声音、图像和文字等信息，故A错误； 根据折射定律n=，根据全反射公式n=，解得n=，故B正确； 激光束垂直左侧端面射入时，激光束在直光导纤维中传播的时间最短， 由t1=及n=，解得t1=，故C错误； 要使激光束在直光导纤维内经历的时间最长，就要求每一次反射时入射角θ最小，即入射角θ恰为临界角C，此时激光束沿光导纤维方向的速度分量为vsin θ， 由L=vsin θt2，θ=C，n=，sin C=，解得t2==，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 8.(多选)(2024·遂宁市高二期末)真空中有一半径为R、球心为O、质量分布均匀的玻璃球，如图所示为过球心O的竖直截面，一细激光束在真空中沿直线BC传播，于玻璃球表面的C点经折射进入玻璃球，并在玻璃球表面的D点又经折射进入真空。已知∠COD=120°，玻璃球对该激光的折射率为，c为光在真空中的传播速度，则下列说法正确的是 A.激光束在C点的入射角α=60° B.光在射入玻璃球后，频率变小 C.改变入射角α的大小，激光束可能在玻璃球表面发生全反射 D.激光束在玻璃球中从C到D传播的时间为t= √ √ 根据几何关系，可知光从C点入射的折射角为=30°，根据折射定律有n=，解得α=60°，故A正确； 光的频率由光源决定，即光在射入玻璃球后，频率不变，故B错误； 根据几何关系可知，光在C点的折射角与光在D点的入射角相等，根据光路可逆原理，改变入射角α的大小，激光束不可能在玻璃球表面发生全反射，故C错误； 由折射率与波速的关系n=可知，激光束在玻璃球中从C到D传播的时间为t=，解得t=，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 9.(2024·遂宁中学高二月考)光纤通信已成为现代主要的有线通信方式。现有一长为1 km、直径为d=0.2 mm的长直光纤，一束单色平行光从该光 纤一端沿光纤方向射入，经过5×10-6 s在光纤另一端接收到该光束。已知光在真空中的速度c=3 ×108 m/s。 (1)求光纤的折射率； 答案　1.5 光在长直光纤中传输速度v=，解得v=2×108 m/s 光纤的折射率n=，解得n=1.5。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 (2)如图所示该光纤绕圆柱体转弯，若平行射入该光纤的光在转弯处均能发生全反射，求该圆柱体半径R的最小值。 答案　0.4 mm 如图所示，当射入光纤中光束的最下面的光线发生全反射时，平行光在弯曲处全部发生全反射 则由几何关系可知sin C=，又sin C==， 解得Rmin=0.4 mm。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 10.(2024·泸州市泸县第五中学高二期末)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 A.d B.d C.d D.d √ 尖子生选练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 返回 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°，则有折射率n==， 光线射出OQ界面的临界为恰好发生全反射，光 路图如图所示，其中OB⊥DS， 光线在A、B两点恰好发生全反射，则sin C==， 即A、B两处全反射的临界角为45°，A、B之间有光线射出，由几何关系可知AB=2AD=2DS=OS=d，故选C。 第 四 章 本课结束 $