第四章 第三节 光的全反射与光纤技术（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（粤教版）

该高中物理课件聚焦“光的全反射与光纤技术”，涵盖光疏/光密介质、全反射条件、临界角及光纤原理。通过激光入水实验观察反射折射现象，引导学生从现象到概念构建知识，形成从基础到应用的学习支架。 其亮点在于以科学探究为核心，通过实验观察、几何推理培养科学思维，结合海市蜃楼等生活实例深化物理观念。高考真题与对点练习结合，助力学生巩固知识，教师可高效落实重难点，提升教学效果。

光的全反射与光纤技术 第三节 第 四 章 1.通过实例分析，知道什么是光疏介质和光密介质，理解它们具有相对性。 2.通过演示实验观察全反射现象，理解临界角的概念和发生全反射的条件，会分析生活中常见的全反射现象(重点)。 3.知道光导纤维的工作原理及生产生活中的实际应用(难点)。 学习目标 内容索引 课时对点练 一、光的全反射 二、光导纤维的工作原理及应用 < 一 > 光的全反射 观察实验现象并思考以下问题： (1)射向水与烟雾(空气)的界面的光是被反射回水中，还是进入了空气中，或者两种现象都存在？ 答案　两者现象都存在，被反射回水中发生反射且反射角等于入射角，从水进入空气过程中发生折射且折射角大于入射角。 (2)让激光从水中射向空气，不断增大入射角，可以观察到什么现象？ 答案　随着入射角不断增大，反射角也增大且反射光线亮度增大，进入空气的折射角也不断增大，但亮度减小。当入射角增大到某一角度时，折射光线会消失，只发生反射现象。 (3)让激光从空气射入水中，不断增大入射角，可以观察到什么现象？ 答案　随着入射角不断增大，反射角和折射角也不断增大，但折射角始终小于入射角，折射光线不会消失。 1.光的全反射 当光从折射率较大的介质( 介质)射入折射率较小的介质( 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 。继续增大入射角，折射角将大于90°。此时，入射光线全部被 回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射。 梳理与总结 光密 光疏 大于 增大 90° 反射 说明：(1)光疏介质与光密介质是相对的。同一种介质相对于其他不同介质，可能是光疏介质，也可能是光密介质。 (2)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。同时折射光强度减弱， 即折射光的能量减少，反射光强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。 2.临界角 折射角等于 时的入射角称为临界角，记为ic。 3.发生光的全反射的两个必要条件 (1)光线从 介质射入 介质。 (2)入射角 临界角。 4.临界角与折射率的关系 表达式为sin ic=，介质的折射率越大，全反射的临界角 。 5.生活中的全反射现象：晶莹夺目的露珠、水中光彩亮丽的气泡、充满传奇色彩的“海市蜃楼”等。 90° 光密 光疏 等于或大于 越小 如下表，分别列出了四种物质的折射率、密度值，据此思考以下问题： 讨论与交流 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　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 (2)光从哪种介质射入空气更容易发生全反射？ 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。 (1)两种介质相比，光疏介质的折射率一定较小。(　　) (2)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。(　　) (3)发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱。(　　) (4)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。 (　　) √ × × √ 易错辨析 (2024·广州市高二期末)唐代诗人韩愈的《原道》里“坐井而观天，曰天小者，非天小也。”说的是青蛙在井底所能看到的天空是有限的。若 深8 m、半径为0.6 m的井中被灌满水，水的折射率n=，如图所示，处在 井底正中央A处的青蛙沿其正上方上浮。若青蛙想要把井外景物尽收眼底，则所处位置与井口水面间的竖直距离最远为  A.0.8 m B. m C. m D.5 m 例1 √ 如图所示  几乎贴着水面射入水里的光，在青蛙看来是从折射角 为C的方向射来的，根据折射定律可得sin C=== 设此时青蛙所处位置与井口水面距离为h，根据几何关系可知tan C=，联立解得h= m，可知若青蛙想要把井外景物全部尽收眼底，则所处位置与井口水面间的竖直距离最远为 m，故选B。 (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。 例2 答案　　c 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。 返回 < 二 > 光导纤维的工作原理及应用 如图所示，将瓶中装满水，连续弯曲的水流从瓶子侧面小孔流出，从右侧用激光器照射小孔，可以看到什么现象？当水柱随着瓶中的水位下降而变形的时候，又可以看到什么现象？ 答案　看到激光沿着水柱传播，水柱外几乎没有光。随着水位下降，水柱向右慢慢移动，激光仍沿着水柱传播。 1.原理：利用了光的 。 2.构造：光纤由纤芯和包层组成。纤芯的折射率 包层的折射率，以合适角度进入光纤的光能够在纤芯与包层的界面上发生 。 3.应用：除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。 4.光纤通信的主要优点是 、 、 。 说明：光由光导纤维的一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而转变为声音、图像。 梳理与总结 全反射 大于 全反射 容量大 衰减小 抗干扰性强 　(多选)(2023·广州市高二期末)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°(sin 43°=0.68，cos 43°=0.73)，则下列说法正确的是 A.光纤包层的折射率比纤芯小 B.光纤包层的折射率比纤芯大 C.该种光纤纤芯的折射率约为1.5 D.该种光纤纤芯的折射率约为1.4 例3 √ √ 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，故A正确，B错误； 该种光纤纤芯的折射率约为n=≈1.5，故C正确，D错误。 (2024·广州市高二期中)图示为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意 图，玻璃丝长为9×105 km，折射率为，AB代表端面。已知光在真空 中的传播速度为3×108 m/s。 (1)为使光能在玻璃丝内发生全反射，光在端面AB上 的入射角的正弦值应满足什么条件； 例4 答案　sin i≤ 光路图如图所示。设入射角为i，折射角r，光到达上界面的入射角为α， 全反射临界角为C，由折射定律n= 由几何关系r+α=90° 即sin r=cos α 当α≥C时发生全反射， 又因为sin C=，cos α≤cos C= 联立解得sin i≤ (2)求光从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间。 答案　4 s 由n=得，光在玻璃丝中传播的速度v= 设L为玻璃丝长度，则光在玻璃丝中传播的距离为L'=，α越小， sin α也越小， α最小等于临界角C时光在玻璃丝中传播最长的距离， 为Lm==nL 所以最长时间t===4 s。 返回 < 三 > 课时对点练 题号 1 2 3 4 5 6 答案 D BD B A (1)光线1能在圆锥侧面的B点发生全反射，理由见解析　(2)1.58×10-9 s B 题号 7 8 9 10 11 12 答案 C C A (1)见解析图　(2)能　 cm　 (1)　(2) BCD 对一对 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 考点一　全反射的理解与计算 1.水中的空气泡、玻璃中的空气泡，看上去比较亮，对这一现象表述正确的是 A.空气泡对光有会聚作用 B.空气泡对光有发散作用 C.从空气泡到达水或玻璃分界面处的光一部分发生全反射形成的 D.从水中或玻璃中射到空气泡界面处的光一部分发生全反射形成的 基础对点练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 当光从水中或玻璃中射到空气泡的界面处时，一部分光的入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象，所以水中的空气泡和玻璃中的空气泡看起来比较亮，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 2.(多选)如图所示，某兴趣小组想测量类似玻璃的新型物体的折射率，该物体为足够长的薄长方体，物质均匀分布，折射率约为1.3。MN、PQ为空气和物体的界面，两界面平行，在空气中用一束光照射物体的上界面MN，光从下界面PQ出射，回到空气中。下列说法正确的是 A.该新型物质相对外部的空气为光疏介质 B.增大入射角(小于90°)，光在PQ界面不会发生全反射 C.让光以不同的入射角照射物体上界面MN，光可能在界 面MN发生全反射 D.入射光线和出射光线一定平行 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 因为从空气射入物质时，折射角小于入射角，所以该新型物质相对外部的空气为光密介质，选项A错误； 增大入射角(小于90°)，因为光在MN面上的折射角等于在PQ面上的入射角，则光在PQ面上的入射角不会达到临界角，即光在PQ界面不会发生全反射，选项B正确； 让光以不同的入射角照射物体上界面MN，因为是从光疏介质进入光密介质，则光不可能在界面MN发生全反射，选项C错误； 因为光在MN面上的折射角等于在PQ面上的入射角，且MN与PQ平行，则入射光线和出射光线一定平行，选项D正确。 3.(2024·佛山市高二期中)如图所示为一半径R=6 cm的透明半球体，PQ为半球体的直径，O为半球体的球心。现有一束激光垂直半球体的截面入射，入射点从P点沿直径PQ方向缓慢移动，移动2 cm后，开始有光从半球体射出(不考虑光在半球体内多次反射)，则该半球体 的折射率为 A. B. C. D. √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 由题意作出光路图如图所示 入射点移动2 cm，该入射点位置为A，此时光从半球体 出射时的入射角为C，由几何关系可知OA=6 cm-2 cm= 4 cm，sin C==，由全反射临界角公式sin C=，可得 该半球体的折射率为n=，故选B。 4.(2024·深圳市翠园中学高二期中)如图所示，一装满水的长方体的玻璃容器，高度为a，上下两个面为边长4a的正方形，底面中心O点放有一单色点光源，可向各个方向发射单色光。已知水对该单色光的折射率 为n=，则水面上被光照亮区域的面积为 A.16a2 B.7πa2 C.9πa2 D.6.25a2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 根据介质对光的折射率sin C= 假设水面足够大，当入射角为临界角时，在水面上能看到光的区域的最大半径为r，光路图如图所示 则由几何关系tan C=，其中h=a，代入数据解得r=3a， 水面的对角线长度为4a×=4a<2r，因此在水面上能看到光的区域是整个水面，所以面积为16a2，故选A。 5.(2025·湛江市高二期中)如图所示，在桌面上有一个倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图所示。有一半径为r=0.1 m的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合。已知玻璃的折射率为n=，光在空气中的速度取c=3×108 m/s。 (1)通过计算说明光线1能不能在圆锥侧面的B点发生 全反射； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 答案　光线1能在圆锥侧面的B点发生全反射，理由见解析　 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 全反射的临界角满足sin C== 分析可知，光路图如图所示 由几何关系可知，图中光线从B点射出时的入射角θ=60° 可知sin 60°=>sin C 故光线1能在圆锥侧面的B点发生全反射。 (2)光线1经过圆锥侧面B点后射到桌面上D(图中未画出)点，则从B点到D点所用的时间是多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 答案　1.58×10-9 s 由几何关系可知BD垂直于AO，交于点E，BE=ED=r 又因为光在玻璃圆锥中的传播速度为v= 所以光线1从B点到D点所用的时间是t=+ 联立解得t≈1.58×10-9 s。 考点二　光导纤维的工作原理及应用 6.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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 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，A错误，B正确； 仅改用折射率更大的液体，根据sin ic=，则临界角变小，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。 7.(2023·汕头市金山中学高二期中)我国目前已经建立了纵横城市之间的光缆通信网络，光缆线路已经与通信卫星、微波接力站、普通电缆相结合，构成了现代国家的“神经系统”。光纤信号传输是利用光的全反射和折射原理，如图所示是某种单色光在光纤中经过多次全反射后从右端 射出的传播路径。若该介质的折射率为，则关于α、β的大小，下列 判断正确的是  A.α<60° B.α<30° C.β>30° D.β<30° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 根据全反射的条件可知，α≥ic，又sin ic=，则ic=60°，即α≥60°，故 A、B错误； 光从端点能射出，则由折射定律可知n=，由题图可知，i<90°， 解得β>30°，故C正确，D错误。 8.(2024·河源市龙川一中高二期中)透过热空气观察物体会发现物体摇晃不定，那是因为温度越高空气折射率越小，热空气的对流现象引起光路的变化。如图为光线经过温度不同的空气层的光路图。根据图中信息下列关于空气层1、2和3说法正确的是 A.空气层1的温度最高 B.空气层2的折射率最大 C.光线在2中运动的速度最大 D.光线从2到3最容易发生全反射 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 温度越高空气折射率越小，作出各个空气层界面的法线如图可知θ3< θ1<θ2，sin θ3<sin θ1<sin θ2，由折射定律==，所以n2< n1<n3，所以空气层2的温度最高，折射率最小，A、B错误； 空气层2的折射率最小，根据光速与折射率的关系v=可知，光线在2 中运动的速度最大，C正确； 光从光密介质射向光疏介质时才可能发生全反射， 因为n2<n3，光线从2到3不会发生全反射现象，D 错误。 9.如图所示，折射率n=的半圆形玻璃砖置于光屏MN的上方，其平面AB到MN的距离为h=10 cm。一束单色光沿图示方向垂直MN射向圆心O，经玻璃砖后射到光屏上的O'点。现使玻璃砖绕过O点垂直于纸面的轴顺时针转动，从AB平面射出的光线在光屏上的光点移动的方向和光点离O'点的最远距离分别为 A.向右移动、10 cm B.向左移动、10 cm C.向右移动、20 cm D.向左移动、20 cm √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 玻璃砖绕圆心O点顺时针转动，相当于玻璃砖不动，入射光线逆时针转动，则折射光线也逆时针转动，光屏上的光点将向右移动，故B、D错误； 由折射定律，设玻璃砖转过α角时光线在玻璃砖的AB面上恰好发生全反射，此时射到光屏MN上的光点离O'点的距离最远。设临界角为C， 有sin C=，全反射的临界角C=α=45°，由几何关系知，光屏上光点到O'的距离x==10 cm，则光屏上光点向右移动，光点离O'点最远 距离为10 cm，故A正确，C错误。 10.(2025·中山市华侨中学高二月考)如图所示是一直角槽圆柱形玻璃砖的截面，其折射率为n=，半径为R=10 cm，O为轴心。一束光从距该玻璃砖轴心d=5 cm处的E点垂直于AO面进入玻璃砖，经几次反射后又照射到玻璃砖的BO面上的某一位置F点(图中未画出)。 (1)试在图中补充完整这束光由E点到F点的光路； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 答案　见解析图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 根据题意，由反射定律和折射定律画出光路图，如图所示。 (2)通过计算说明，这束光是否能从玻璃砖的BO面射出，F点到轴心O的距离是多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 答案　能　 cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 发生全反射时有sin C= 可得光在玻璃砖中发生全反射的临界角为C=45° 根据(1)中光路图，由几何关系可得r=30° 则这束光在F点的入射角小于临界角，不发生全反射，这束光能从玻璃砖的BO面射出。 由几何关系有=tan 30° 解得OF= cm 即F点到轴心O的距离是 cm。 11.(2024·佛山市高二期末)如图所示，某种均匀透明介质制作成的圆柱体 高度为，直径为d，现有一束激光从圆柱体上端圆面中心O点射入介 质中，与圆柱中轴线夹角为θ。  (1)当θ=60°时，折射光线刚好能从圆柱体底面边缘 射出(不考虑光在圆柱体侧面上的反射)，则该介质的 折射率为多大； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 答案　 当θ=60°时，折射光线刚好能从圆柱体底面边缘射出， 可知折射角sin α== 则折射率n=== 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 (2)以不同角度从O点射入的光线，都不能从圆柱体的侧面射出，则该介质的折射率至少为多大。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 答案　 若θ=90°，则折射角为ic，此时射到圆柱体的侧面的光线也能发生全反射， 则由几何关系可知ic=45°， 则折射率n'== 即该介质的折射率至少为。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 12.(多选)(2025·深圳市盐田高级中学月考)如图甲所示是由透明材料制成的半圆柱体，一束单色细光束由真空沿着径向与AB成θ角射入，对射出的折射光线的强度随θ角的变化进行记录，得到的关系如图乙所示。图丙是用这种材料制成的透明实体，左侧是半径为R的半圆柱体，右侧是长为8R、高为2R的长方体，一束该单色光从左侧A'点沿半径方向，且与长方体的长边成37°角射入透明实体。已知光在真空中传播的速度为c，sin 37°=0.6，cos 37°=0.8，以下说法中正确的是 尖子生选练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 A.该透明材料的临界角是37° B.该透明材料的临界角是53° C.该透明材料的折射率为 D.光在透明实体中传播的总时间为 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 答案 由题图乙可知，θ=37°时，折射光线开始出现，说明 此时对应的入射角应是发生全反射的临界角C，即得 C=90°-37°=53°，故A错误，B正确； 根据全反射临界角公式sin C=，得该透明材料的折射率n=，故C正确； 因为临界角是53°，光在透明实体中刚好发生全反射，光路图如图所示，  则光程为L=R+=11R，光在该透明材料中的传播速度为v=，则光在透明实体中运动的总时间t==，故D正确。 返回 本课结束 第 四 章 $