《2020高中物理 第十三章 光 第2節(jié) 全反射學案 新人教版選修3-4》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2020高中物理 第十三章 光 第2節(jié) 全反射學案 新人教版選修3-4（15頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第2節(jié)全反射1知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念。2理解全反射的條件，能計算有關(guān)問題和解釋相關(guān)現(xiàn)象。3了解全反射棱鏡和光導纖維的工作原理以及在生產(chǎn)、生活中的應用。一、全反射1光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)2全反射(1)概念：當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，同時發(fā)生折射和反射，當入射角增大到某一角度，使折射角達到90時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。(2)臨界角：剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90時的入射角。用字母C表示。(3)發(fā)生全反射的條件光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。入射角等于或大于臨界角。(4)臨界角與折射率的關(guān)系當光由介質(zhì)射入空氣(真空)時，sinC。二、全反射棱鏡截面為等腰

2、直角三角形的棱鏡叫做全反射棱鏡，其作用是改變光的傳播方向。三、光導纖維1原理利用了全反射的原理。2構(gòu)造光導纖維直徑只有幾微米到一百微米，由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。判一判(1)密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì)。()(2)兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)是光密介質(zhì)。()(3)光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)具有絕對性。()(4)截面是三角形的棱鏡是全反射棱鏡。()(5)全反射棱鏡和平面鏡都是利用了光的全反射原理。()(6)光在光纖中傳播時，在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射。()(7)光纖通信的主要優(yōu)點是容量大。()提示：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)想

3、一想(1)只有一種介質(zhì)能否確定它是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？提示：不能。光密介質(zhì)、光疏介質(zhì)是對確定的兩種介質(zhì)的折射率相比較而確定的，只有一種介質(zhì)是無法比較折射率的，從而無法確定它是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)。(2)為什么水中或玻璃中的氣泡看起來特別明亮？提示：水或玻璃中的氣泡相對水或玻璃是光疏介質(zhì)，光經(jīng)過水或玻璃照射氣泡時，一部分光會發(fā)生全反射，相對于其他物體而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由氣泡發(fā)出的，因此人眼感覺水或玻璃中的氣泡特別明亮。(3)微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂，光纖為什么要由兩層介質(zhì)構(gòu)成？提示：光纖的工作原理是全反射，要由兩種介質(zhì)配合才能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。

4、課堂任務全反射1光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)不同介質(zhì)的折射率不同，我們把折射率較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)。光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對的。2全反射(1)全反射及臨界角的概念全反射：當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，同時發(fā)生折射和反射，當入射角增大到某一角度，使折射角達到90時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。如圖所示。臨界角：剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90時的入射角。用字母C表示。(2)全反射的條件要發(fā)生全反射，必須同時具備兩個條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。入射角等于或大于臨界角。(3)臨界角與折射率的關(guān)系定量關(guān)系：光由介質(zhì)射入空氣(或真空)時，sinC。定性關(guān)系

5、：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角就越小，越容易發(fā)生全反射。(4)從能量角度理解全反射當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，隨著入射角增大，折射角也增大，同時折射光強度減弱，即折射光能量減小，反射光強度增強，即反射光能量增大，當入射角達到臨界角時，折射光強度減小到零，反射光的能量等于入射光的能量。(5)因為介質(zhì)的折射率與光的顏色有關(guān)，所以全反射臨界角不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與光的顏色有關(guān)。例1(多選)如圖所示，ABCD是兩面平行的透明玻璃磚，AB面和CD面是玻璃和空氣的界面，分別設(shè)為界面和界面。光線從界面射入玻璃磚，再從界面射出，回到空氣中，如果改變光到達界面時的入射角，則

6、()A只要入射角足夠大，光線在界面上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象B只要入射角足夠大，光線在界面上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象C不管入射角多大，光線在界面上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象D不管入射角多大，光線在界面上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象(1)在界面上光是由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)，還是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)？能發(fā)生全反射嗎？提示：在界面上光由光疏介質(zhì)(空氣)進入光密介質(zhì)(玻璃)，不能發(fā)生全反射。(2)在界面上的入射角能大于臨界角嗎？提示：不能。界面上的入射角總等于界面上的折射角，總小于臨界角。規(guī)范解答在界面上光由空氣進入玻璃磚，是由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)，不管入射角多大，都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象，A錯誤，C正確；在界面上光由玻璃

7、進入空氣，是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，但是，由于界面和界面平行，光由界面進入玻璃后再到達界面，在界面上的入射角等于在界面上的折射角，故入射角總是小于臨界角，因此也不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象，B錯誤，D正確。完美答案CD解決全反射問題的思路(1)確定光是由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)。(2)若光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，則根據(jù)sinC確定臨界角，看是否發(fā)生全反射。(3)根據(jù)題設(shè)條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”。(4)運用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進行判斷推理、運算及變換進行動態(tài)分析或定量計算。為了表演“隱形的大頭針”節(jié)目，某同學在半徑為r的圓形軟木片中間垂直插入一枚大頭針

8、，并將其放入盛有水的碗中，如圖所示。已知水的折射率為，為了保證表演成功即在水面上看不到大頭針，大頭針末端離水面的最大距離h為()A.r B.r C.r D.r答案A解析大頭針末端射到軟木片邊緣的光線恰好發(fā)生全反射時，在水面上看不到大頭針，且大頭針末端離水面的距離最大，此時sinC，又sinC，解得hr，A正確。課堂任務全反射的應用1全反射棱鏡橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫做全反射棱鏡。它在光學儀器里，用來改變光的傳播方向。下表為光通過全反射棱鏡時的幾種入射方式。2光導纖維光導纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1100 m左右，如圖所示。它由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光

9、由一端進入，在內(nèi)芯和外套的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出。3光導纖維的應用(1)利用光導纖維可實現(xiàn)光纖通信，而光纖通信的優(yōu)點是容量大、衰減小、抗干擾性強等。(2)醫(yī)學上用光導纖維制成內(nèi)窺鏡，用來檢查人體胃、腸、氣管等臟器的內(nèi)部。4生活中的全反射現(xiàn)象(1)兩種蜃景原理因為海水溫度低，所以海面附近空氣溫度低，高空空氣溫度高，越向上空氣密度越小，折射率越小，其蜃景原理如圖甲所示。因為沙漠受陽光照射很熱，下層空氣溫度比上層空氣溫度高，越向上空氣密度越大，折射率越大，其蜃景原理如圖乙所示。(2)其他全反射現(xiàn)象：水或玻璃中的氣泡很明亮，鉆石光彩奪目，彩虹的形成等。例2如圖所示，AB為有機玻璃棒，A、B之

10、間距離為s，使一光脈沖信號從有機玻璃棒中間入射，射入后在有機玻璃棒與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射，由A點傳輸?shù)紹點所用時間為t，求有機玻璃棒的折射率n。(已知光在真空中的傳播速度為c)(1)“恰好發(fā)生全反射”意味著什么？提示：入射角等于臨界角C。(2)光在有機玻璃棒中的傳播速度等于真空中的光速嗎？提示：不等于。光在有機玻璃棒中的傳播速度為v。規(guī)范解答設(shè)有機玻璃棒的折射率為n，則有sinsinCnt由式解得t，所以n。完美答案全反射的應用要注意的問題(1)全反射發(fā)生在光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時。(2)恰好發(fā)生全反射現(xiàn)象時，應用sinC和光速公式v解題。(3)正確作出光路圖，利用幾何邊角關(guān)系分析。注

11、意：個別試題需要利用數(shù)學知識求函數(shù)的極值。如圖甲所示，夏天，在平靜無風的海面上，向遠方望去，有時能看到山峰、船舶、樓臺、亭閣、集市、廟宇等出現(xiàn)在遠方的空中。古人不明白產(chǎn)生這種景象的原因，對它作了不科學的解釋，認為是海中蛟龍(即蜃)吐出的氣結(jié)成的，因而叫做“海市蜃樓”，也叫蜃景。如圖乙所示，沙漠里有時也會看到遠處的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可即，這也是“蜃景”。下列有關(guān)蜃景的說法中錯誤的是()A海面上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小B沙面上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小CA是蜃景，B是景物DC是蜃景，D是景物答案B解析海面上，下層空氣的溫度比上層低，則下層空氣的密度比上層要大，故下

12、層空氣的折射率比上層空氣的折射率要大，A正確；由于人眼認為光是沿直線傳播的，故A是蜃景，B是景物，C正確；太陽照到沙面上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小，折射率也小，即上層空氣的折射率大，B錯誤；從遠處物體射向沙面的光線，進入折射率小的熱空氣層時被折射，入射角逐漸增大，會發(fā)生全反射，人們逆著光線看去，就會看到遠處物體的倒影，故C是蜃景，D是景物，D正確。如圖所示，平靜湖面岸邊的垂釣者，眼睛恰好位于岸邊P點正上方0.9 m的高度處，浮標Q離P點1.2 m遠，魚餌燈M在浮標正前方1.8 m處的水下，垂釣者發(fā)現(xiàn)魚餌燈剛好被浮標擋住，已知水的折射率n，求：(1)魚餌燈離水面的深度；(2)若魚餌燈

13、緩慢豎直上浮，當它離水面多深時，魚餌燈發(fā)出的光恰好無法從水面PQ間射出。答案(1)2.4 m(2)1.59 m解析(1)設(shè)入射角、折射角分別為i、r，設(shè)魚餌燈離水面的深度為h2。則有：sinisinr根據(jù)光的折射定律可以知道：n聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)得：h22.4 m。(2)當魚餌燈離水面深度為h3時，水面PQ間恰好無光射出，此時魚餌燈與浮標的連線和豎直方向夾角恰好為臨界角C，則有：sinC由sinC得：h3 m1.59 m。A組：合格性水平訓練1(光密介質(zhì)與光疏介質(zhì))(多選)下列說法正確的是()A因為水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介質(zhì)B因為水的折射率小于酒精的折射率，所以水對酒精來說是光疏介質(zhì)

14、C同一束光，在光密介質(zhì)中的傳播速度較大D同一束光，在光密介質(zhì)中的傳播速度較小答案BD解析因為水的折射率小于酒精的折射率，所以水對酒精來說是光疏介質(zhì)，A錯誤，B正確；由v可知，同一束光在光密介質(zhì)中的傳播速度較小，故C錯誤，D正確。2(全反射的條件)(多選)關(guān)于全反射，下列說法中正確的是()A發(fā)生全反射時，仍有折射光線，只是折射光線非常弱，因此可以認為不存在折射光線而只有反射光線B光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，一定會發(fā)生全反射現(xiàn)象C光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象D水或玻璃中的氣泡看起來特別亮，就是因為光從水或玻璃射向氣泡時，在界面處發(fā)生了全反射答案CD解析全反射發(fā)生的條件是光從光密

15、介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于或等于臨界角，發(fā)生全反射時全部光線均不進入光疏介質(zhì)，故A、B錯誤，C正確；當光線經(jīng)由水或玻璃射向氣泡時，由于水和玻璃的折射率均大于空氣的折射率，部分光線在界面處發(fā)生全反射，所以氣泡會顯得特別亮，D正確。3(臨界角)光在某種介質(zhì)中傳播時的速度為1.5108 m/s，那么，光從此種介質(zhì)射向空氣并發(fā)生全反射的臨界角應為()A60 B45 C30 D75答案C解析根據(jù)n，sinC，得sinC，解得C30，C正確。4(全反射的應用)如圖所示，自行車的尾燈采用了全反射棱鏡的原理。它雖然本身不發(fā)光，但在夜間騎行時，從后面開來的汽車發(fā)出的強光照到尾燈后，會有較強的光被反射回去，使

16、汽車司機注意到前面有自行車。下面說法中正確的是()A汽車燈光應從左面射過來在尾燈的左表面發(fā)生全反射B汽車燈光應從左面射過來在尾燈的右表面發(fā)生全反射C汽車燈光應從右面射過來在尾燈的左表面發(fā)生全反射D汽車燈光應從右面射過來在尾燈的右表面發(fā)生全反射答案C解析汽車燈光應從右面射向自行車尾燈，光在尾燈內(nèi)部左表面發(fā)生全反射，使自行車后面的汽車司機發(fā)現(xiàn)前面有自行車，避免事故的發(fā)生，A、B、D錯誤，C正確。5(全反射的應用)光導纖維的結(jié)構(gòu)如圖所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播。以下關(guān)于光導纖維的說法正確的是()A內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射B內(nèi)芯的折射率比外套的小，光

17、傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射C內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生折射D內(nèi)芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護作用答案A解析光導纖維是利用光從光密介質(zhì)(內(nèi)芯)射入光疏介質(zhì)(外套)時發(fā)生全反射的現(xiàn)象來傳遞信息的，B、C、D錯誤，A正確。6(全反射的計算)為測量一塊等腰直角三棱鏡ABC的折射率，用一束光沿平行于BC邊的方向射向AB邊，如圖所示。光束進入棱鏡后射到AC邊時，剛好能發(fā)生全反射。該棱鏡的折射率為()A. B. C. D.答案D解析作出光路圖，如圖所示，根據(jù)題意和幾何關(guān)系可知，i45，n，sinC，r90C，聯(lián)立以上各式，可得n，A、B、C錯誤，

18、D正確。7(全反射的計算)如圖所示，一束光從空氣中垂直入射到折射率為的直角三棱鏡。求從棱鏡第一次射出的光線與原入射方向的偏轉(zhuǎn)角度。答案30解析如圖所示，光線射到斜邊時，i60設(shè)全反射的臨界角為C，因為：sinC，sini，可得sinisinC，即iC，故光射到斜邊上時發(fā)生全發(fā)射。由幾何關(guān)系知，光反射到另一直角邊時的入射角：i30設(shè)光從另一直角邊射出時的折射角為r，則由折射率的定義有，得：r60所以從棱鏡第一次射出的光線與原入射方向的偏轉(zhuǎn)角為：906030。8(色光的全反射)半徑為R的固定半圓柱形玻璃磚的橫截面如圖所示，O點為圓心，OO為直徑MN的垂線，足夠大的光屏PQ緊靠在玻璃磚的右側(cè)且與MN

19、垂直。一束復色光沿半徑方向與OO成30角射向O點，已知復色光包含折射率從n1到n2的光束，因而光屏上出現(xiàn)了彩色光帶。(1)求彩色光帶的寬度；(2)當復色光入射角逐漸增大時，光屏上的彩色光帶將變成一個光點，求角至少為多少時會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。答案(1)R(2)45解析(1)由折射定律得n1，n2，代入數(shù)據(jù)，解得145，260。故彩色光帶的寬度為Rtan45Rtan30R。(2)當所有光線均發(fā)生全反射時，光屏上的光帶消失，反射光束將在PN上形成一個光點。當折射率為n1的單色光在玻璃表面上恰好發(fā)生全反射時，對應的值最小，因為sinC1，所以C145，故的最小值minC145。B組：等級性水平訓練9(全反

20、射的計算)在桌面上有一倒立的玻璃圓錐，其頂點恰好與桌面接觸，圓錐的軸(右圖中虛線)與桌面垂直，過軸線的截面為等邊三角形，如圖所示。有一半徑為r的圓柱形平行光束垂直入射到圓錐的底面上，光束的中心軸與圓錐的軸重合。已知玻璃的折射率為1.5，則光束在桌面上形成的光斑半徑為()Ar B1.5r C2r D2.5r答案C解析因為n1.5，根據(jù)sinC可知臨界角C60。由題意光束第一次射到圓錐側(cè)面上的入射角為60，大于臨界角，所以光路如圖所示，左側(cè)光線在圓錐面A點發(fā)生全反射，在OAB中，r，AOB60，利用幾何關(guān)系可求得r，在ABC中，ACB30，利用幾何關(guān)系可求得3r，由此可知光束在桌面上形成的光斑半徑

21、為R2r，C正確。10(光的折射與全反射綜合)(多選)如圖所示是一玻璃球體，其半徑為R，O為球心，AB為水平直徑。M點是玻璃球的最高點，來自B點的光線BD從D點射出，出射光線平行于AB，已知ABD30，光在真空中的傳播速度為c，則()A此玻璃的折射率為B光線從B到D需用時C若增大ABD，光線不可能在DM段發(fā)生全反射現(xiàn)象D若減小ABD，從AD段射出的光線均平行于AB答案AB解析由題圖可知光線在D點的入射角為i30，折射角為r60，由折射率的定義得n，故n，A正確；光線在玻璃球中的傳播速度為vc，由題圖知BDR，所以光線從B到D需用時t，B正確；若增大ABD，入射角增大，當光線射向DM段時，射向M

22、點時入射角最大，為45，而臨界角滿足sinCsin45，即CC。光線在透明磚內(nèi)會發(fā)生兩次全反射，最后由G點射出，如圖乙所示。由反射定律和幾何關(guān)系得：OGOC10 cm，即光線從透明磚射出點的位置在O點右側(cè)距離O點為10 cm處。12(光的折射與全反射的綜合應用)一厚度均勻的圓形玻璃管內(nèi)徑為16 cm，外徑為24 cm。一條光線從玻璃管壁中點入射，光線AB與豎直方向成60角，與直徑MN在同一豎直面內(nèi)，如圖所示。該玻璃的折射率為，真空中光速c3.0108 m/s。(1)光線經(jīng)玻璃管內(nèi)壁折射后從另一側(cè)內(nèi)壁下端射出玻璃管，求玻璃管的長度；(2)保持入射點不動，調(diào)整入射角。求光線AB在玻璃管內(nèi)壁處恰好發(fā)生全反射時，光線在玻璃中傳播的時間。(以上結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)答案(1)0.30 m(2)1.5109 s解析(1)光在兩個界面的入射角和折射角分別是1和2、3和4，如圖1所示，其中160，根據(jù)折射定律得：n解得：245n由幾何知識有：2390聯(lián)立解得：460玻璃管的長度為：LD1tan4(216) cm0.30 m。(2)作光路圖如圖2所示，當光線AB在管內(nèi)壁處恰發(fā)生全反射時，光線在玻璃管中通過的路程為x另有：sinC，v，xvt則光線在玻璃中傳播的時間為：t(18)1010 s1.5109 s。- 15 -