歡迎進(jìn)入物理課堂 4 6全反射與光導(dǎo)纖維4 7激光 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 4 6 4 7 課前自主學(xué)案 課標(biāo)定位 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 知道光疏介質(zhì) 光密介質(zhì) 全反射 臨界角的概念 2 能判定是否發(fā)生全反射 并能分析解決有關(guān)問(wèn)題 3 了解全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維 4 認(rèn)識(shí)激光和自然光的區(qū)別 5 了解激光的特點(diǎn)和應(yīng)用 重點(diǎn)難點(diǎn) 全反射 臨界角的概念和全反射的條件是重點(diǎn) 應(yīng)用全反射分析解題是難點(diǎn) 課前自主學(xué)案 一 研究光的全反射現(xiàn)象1 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的概念兩種不同的介質(zhì) 折射率較小的介質(zhì)叫做 介質(zhì) 折射率較大的介質(zhì)叫做 介質(zhì) 2 全反射現(xiàn)象 1 全反射及臨界角的概念 全反射 光從 介質(zhì)射入 介質(zhì)時(shí) 當(dāng)入射角增大到超過(guò)某一角度時(shí) 折射光線完全消失 全部光線都被反射回光密介質(zhì)的現(xiàn)象 光疏 光密 光密 光疏 臨界角 剛好發(fā)生全反射 即 等于90 時(shí)的 用字母C表示 2 全反射的條件 光從 介質(zhì)射入 介質(zhì) 入射角 臨界角 3 臨界角與折射率的關(guān)系 折射角 入射角 光密 光疏 大于等于 小 容易 越大 越小 容易 二 全反射現(xiàn)象的應(yīng)用1 解釋全反射現(xiàn)象 1 水或玻璃中的氣泡看起來(lái)特別亮 是由于光射到氣泡上發(fā)生了 2 在沙漠里 接近地面的熱空氣的折射率比上層空氣的折射率 從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線的入射角 時(shí)發(fā)生 人們就會(huì)看到遠(yuǎn)處物體的倒影 全反射 小 大于臨界角 全反射 2 全反射棱鏡 1 形狀 截面為 三角形的棱鏡 2 光學(xué)特性 當(dāng)光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時(shí) 光在截面的斜邊上發(fā)生 光射出棱鏡時(shí) 傳播方向改變了 當(dāng)光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時(shí) 在兩個(gè)直角邊上各發(fā)生一次 使光的傳播方向改變了 全反射棱鏡的反射性能比鍍銀的平面鏡 等腰直角 全反射 90 全反射 180 更好 三 光纖及其應(yīng)用1 光纖的構(gòu)造光導(dǎo)纖維 簡(jiǎn)稱(chēng)光纖 是非常細(xì)的特制玻璃絲 直徑從幾微米到幾十微米之間 由內(nèi)芯和外層透明介質(zhì)兩層組成 內(nèi)芯的折射率比外套的 光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生 2 光纖的原理 利用了 原理 3 光纖在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)學(xué)上把光纖束制成內(nèi)窺鏡 檢查人體胃 腸 氣管等器官的內(nèi)部 利用光纖 還可以把激光導(dǎo)入人體內(nèi)做腫瘤切除手術(shù) 大 全反射 全反射 4 光纖通信光纖通信先將 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 信號(hào) 利用光纖把 信號(hào)輸出 到接收端再將光信號(hào)還原為聲音信號(hào) 光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn) 大 能量損耗小 強(qiáng) 保密性好等 四 激光1 激光的特性 1 單色性好 相干性好 所謂單色性好就是 單一 激光是顏色最純的單色光 2 方向性好 或者說(shuō) 好 只向一定的方向發(fā)光 聲音 光 光 容量 抗干擾能力 頻率 平行度 3 亮度高可以在很小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)集中很大的能量 一支僅為1mW的氦 氖激光器的亮度要比地球上看到的太陽(yáng)光亮約一百倍 而一臺(tái)功率較大的紅寶石巨脈沖激光器的亮度比太陽(yáng)光要亮上百萬(wàn)倍 可以說(shuō) 激光是現(xiàn)代最亮的光源 2 激光的應(yīng)用 1 光纖通信 2 激光測(cè)距 3 激光寫(xiě) 讀由于激光的平行度好 激光可以會(huì)聚到一個(gè)很小的點(diǎn)上 利用激光可以在光盤(pán)上刻錄密度很高的信息 也可以利用激光從VCD機(jī) CD唱機(jī)或計(jì)算機(jī)的光盤(pán)上讀出記錄的信息 經(jīng)過(guò)處理后還原成聲音或圖像 4 可用激光束來(lái)切割 焊接以及在很硬的材料上打孔 醫(yī)學(xué)上可以用激光做 切開(kāi)皮膚 切除腫瘤 光刀 5 激光加工將激光器發(fā)出的激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后 在待加工的工件上形成密度很高 能量很大 直徑很小的光斑 使受照部位迅速熔化或汽化 以完成規(guī)定的加工 包括切割 焊接 打孔 劃片 整形 熱處理和表面處理等 3 全息照相 1 普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強(qiáng)弱信息 全息照相技術(shù)還可以記錄光波的 信息 2 全息照相的拍攝利用了光的 這要求參考光和物光具有很高的相干性 激光符合這個(gè)要求 相位 干涉原理 核心要點(diǎn)突破 一 對(duì)全反射的理解1 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) 1 光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的相對(duì)性 兩種介質(zhì)在不同的比較中結(jié)果可能不同 如水 水晶和金剛石 水晶對(duì)水來(lái)說(shuō)是光密介質(zhì) 但對(duì)金剛石來(lái)說(shuō)是光疏介質(zhì) 2 全反射現(xiàn)象中的能量分配入射光 反射光 折射光的方向變化及能量分配關(guān)系 1 折射角隨著入射角的增大而增大 2 折射角增大的同時(shí) 折射光線的強(qiáng)度減弱 即折射光線的能量減小 亮度減弱 而反射光線的強(qiáng)度增強(qiáng) 能量增大 亮度增加 3 當(dāng)入射角增大到某一角度 即臨界角 時(shí) 折射光線能量減弱到零 即折射角為90 入射光的能量全部反射回來(lái) 這就是全反射現(xiàn)象 圖4 6 1 二 全反射的應(yīng)用1 光導(dǎo)纖維 1 作用 傳遞聲音 圖像及各種數(shù)字信號(hào) 2 原理 光的全反射 3 構(gòu)造特點(diǎn) 雙層 外層材料的折射率比里層材料的折射率小 4 優(yōu)點(diǎn) 容量大 衰減小 抗干擾能力強(qiáng) 5 實(shí)際應(yīng)用 光纖通信 醫(yī)用胃鏡等 2 全反射棱鏡 橫截面成等腰直角三角形的三棱鏡 在玻璃內(nèi)部 光射向玻璃與空氣界面時(shí) 入射角大于臨界角 發(fā)生全反射 與平面鏡相比 它的反射率高 幾乎可達(dá)100 由于反射面不涂敷任何反光物質(zhì) 所以反射失真小 選擇適當(dāng)?shù)娜肷潼c(diǎn) 可以使入射光線經(jīng)過(guò)全反射棱鏡的作用在射出后偏轉(zhuǎn)90 或180 如圖4 6 2甲 乙所示 圖4 6 2 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射 分別從方框下方和上方射出 其框外光線如圖4 6 3所示 方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n 1 5的玻璃全反射棱鏡 下面給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖 其中能產(chǎn)生該效果的是 圖4 6 3 圖4 6 4 解析 選B 四個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生光路效果如圖所示 由圖可知B項(xiàng)正確 四 應(yīng)用全反射解釋自然現(xiàn)象1 對(duì) 海市蜃樓 的解釋由于空中大氣的折射和全反射 會(huì)在空中出現(xiàn) 海市蜃樓 在海面平靜的日子 站在海濱 有時(shí)可以看到遠(yuǎn)處的空中出現(xiàn)了高樓聳立 街道棋布 山巒重疊等景象 這種景象的出現(xiàn)是有原因的 當(dāng)大氣層比較平靜時(shí) 空氣的密度隨溫度的升高而減小 對(duì)光的折射率也隨之減小 海面上空的空氣溫度比空中低 空氣的折射率下層比上層大 我們可以粗略地把空中的大氣分成許多水平的空氣層 如圖4 6 5所示 下層的折射率較大 圖4 6 5 遠(yuǎn)處的景物發(fā)出的光線射向空中時(shí) 不斷被折射 射向折射率較低的上一層的入射角越來(lái)越大 當(dāng)光線的入射角大到臨界角時(shí) 就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象 光線就會(huì)從高空的空氣層中通過(guò)空氣的折射逐漸返回折射率較高的下一層 在地面附近的觀察者就可以觀察到由空中射來(lái)的光線形成的虛像 這就是海市蜃樓的景象 如圖4 6 6所示 圖4 6 6 2 對(duì)沙漠上 柏油路上的蜃景的解釋在沙漠里也會(huì)看到蜃景 太陽(yáng)照到沙地上 接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小 折射率也小 從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線 進(jìn)入折射率小的熱空氣層時(shí)被折射 入射角逐漸增大 也可能發(fā)生全反射 人們逆著反射光線看去 就會(huì)看到遠(yuǎn)處物體的倒景 圖4 6 7 仿佛是從水面反射出來(lái)的一樣 沙漠里的行人常被這種景象所迷惑 以為前方有水源而奔向前去 但總是可望而不可及 沙漠里的蜃景圖4 6 7 在炎熱夏天的柏油馬路上 有時(shí)也能看到上述現(xiàn)象 貼近熱路面附近的空氣層同熱沙面附近的空氣層一樣 比上層空氣的折射率小 從遠(yuǎn)處物體射向路面的光線 也可能發(fā)生全反射 從遠(yuǎn)處看去 路面顯得格外明亮光滑 就像用水淋過(guò)一樣 3 水或玻璃中的氣泡為何特別明亮由圖4 6 8可知 也是光線在氣泡的表面發(fā)生全反射的結(jié)果 圖4 6 8 課堂互動(dòng)講練 已知介質(zhì)對(duì)某單色光的臨界角為 則 A 該介質(zhì)對(duì)此單色光的折射率等于1 sin B 此單色光在該介質(zhì)中的傳播速度等于光在真空中傳播速度的sin 倍C 此單色光在該介質(zhì)中的頻率是在真空中頻率的sin 倍D 此單色光在該介質(zhì)中的波長(zhǎng)是在真空中波長(zhǎng)的sin 倍 答案 ABD 變式訓(xùn)練1有三種均勻透明介質(zhì)A B C 已知介質(zhì)A對(duì)介質(zhì)B來(lái)說(shuō)是光疏介質(zhì) 介質(zhì)B對(duì)介質(zhì)C來(lái)說(shuō)是光密介質(zhì) 介質(zhì)C對(duì)介質(zhì)A來(lái)說(shuō)是光疏介質(zhì) 同一束單色光在三種介質(zhì)中的傳播速度分別為vA vB vC 三種介質(zhì)對(duì)同一單色光的折射率分別為nA nB nC 同一束光由三種介質(zhì)射入真空時(shí)的臨界角分別為CA CB CC 1 比較nA nB nC的大小關(guān)系 2 比較vA vB vC的大小關(guān)系 3 比較CA CB CC的大小關(guān)系 答案 1 nCvA vB 3 CC CA CB 圖4 6 9 自主解答 如圖4 6 10所示 過(guò)O點(diǎn)作與MN成45 角的半徑 沿該半徑方向入射的光線AO 剛好與圓柱面垂直 不發(fā)生折射 沿直線射到O點(diǎn) 它與過(guò)O點(diǎn)的法線夾角剛好等于臨界角45 故AO光線是剛好能發(fā)生全反射的臨界光線 圖4 6 10 方法總結(jié) 從上題中看到解決全反射問(wèn)題的關(guān)鍵 1 準(zhǔn)確熟練地作好光路圖 2 抓住特殊光線的分析 如圖中的光線A C 求光線照射的范圍時(shí) 關(guān)鍵是如何找出邊界光線 如果發(fā)生全反射 剛能發(fā)生全反射時(shí)的臨界光線就是一個(gè)邊界光線 而另一光線要通過(guò)分析找出 變式訓(xùn)練2 2010年高考山東卷 如圖4 6 11所示 一段橫截面為正方形的玻璃棒 中間部分彎成四分之一圓弧形狀 一細(xì)束單色光由MN端面的中點(diǎn)垂直射入 恰好能在弧面EF上發(fā)生全反射 然后垂直P(pán)Q端面射出 圖4 6 11 1 求該玻璃棒的折射率 2 若將入射光向N端平移 當(dāng)?shù)谝淮紊涞交∶鍱F上時(shí) 填 能 不能 或 無(wú)法確定能否 發(fā)生全反射 解析 如圖所示 單色光照射到EF弧面上時(shí)剛好發(fā)生全反射 由全反射的條件得C 45 下列說(shuō)法正確的是 A 激光可用于測(cè)距B 激光能量十分集中 只可用于加工金屬材料C 外科研制的 激光刀 可以有效地減少細(xì)菌的感染D 激光可用于全息照相 有獨(dú)特的特點(diǎn) 精講精析 激光平行度好 即使在傳播了很遠(yuǎn)的距離之后 它仍保持一定的強(qiáng)度 此特點(diǎn)可用于激光測(cè)距 A正確 激光的亮度高 能量十分集中 可用于金屬加工 激光醫(yī)療 激光美容 激光武器等 B錯(cuò)誤 激光具有很高的相干性 可用于全息照相 由于它記錄了光的相位信息 所以看起來(lái)跟真的一樣 立體感較強(qiáng) D正確 由于激光亮度高 能量大 在動(dòng)手術(shù)的同時(shí) 也能殺滅細(xì)菌 所以C正確 答案 ACD 方法總結(jié) 激光的主要特點(diǎn)有三個(gè) 1 平行性好 2 相干性好 單色性好 3 亮度高 解題時(shí)要從題目提供的信息識(shí)別與激光的哪個(gè)特點(diǎn)對(duì)應(yīng) 然后再進(jìn)行判斷 變式訓(xùn)練3在演示雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)時(shí) 常用激光做光源 這主要是應(yīng)用激光的什么特性 A 亮度高B 平行性好C 單色性好D 波動(dòng)性好解析 選C 頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉 激光的單色性好 頻率單一 通過(guò)雙縫時(shí)能夠得到兩束相干光 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全