4.6全反射與光導(dǎo)纖維4.7激光學(xué)習(xí)目標(biāo)1.認(rèn)識光的全反射現(xiàn)象，知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念.2.理解發(fā)生全反射的條件，能計算有關(guān)問題和解釋相關(guān)現(xiàn)象.3.知道全反射棱鏡及其應(yīng)用.4.了解光導(dǎo)纖維的工作原理及其在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.5.了解激光的特性和應(yīng)用，了解全息照相的原理1光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)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)與光密介質(zhì)是相對的2全反射現(xiàn)象(1)臨界角：光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，當(dāng)入射角增大到一定程度時，折射角就會增大到90，這時的入射角叫做臨界角(2)全反射現(xiàn)象：當(dāng)光線由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，如果入射角大于臨界角，就發(fā)生全反射現(xiàn)象，也叫做全內(nèi)反射3全反射的應(yīng)用(1)全反射棱鏡：截面為等腰直角三角形的棱鏡，利用全反射改變光路(2)光導(dǎo)纖維：由折射率較大的內(nèi)層纖芯和折射率較小的外面包層組成，光傳播時在內(nèi)層纖芯與外面包層的界面上發(fā)生全反射4激光的特點(diǎn)及應(yīng)用性質(zhì)應(yīng)用相干性：激光具有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特點(diǎn)，是人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性光纖通信平行度：激光的平行度非常好，傳播很遠(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度激光會聚一點(diǎn)，讀取光盤上記錄的信息等亮度高：它可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)聚集很大的能量用激光束切割、焊接，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”，核工業(yè)中用激光激發(fā)核反應(yīng)等一、全反射導(dǎo)學(xué)探究光從空氣射入水中時，入射角大于折射角，由光路可逆知當(dāng)光從水中射入空氣時，折射角大于入射角(如圖1所示)若入射角i逐漸增大，折射角r如何變化？猜想一下當(dāng)i增大到90的過程中會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？圖1答案由n知當(dāng)i增大，r也會增大，隨著i的增大，r先增大到90，若i再增大，則折射光線會消失知識深化1光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)名稱項(xiàng)目光疏介質(zhì)光密介質(zhì)定義折射率較小的介質(zhì)折射率較大的介質(zhì)傳播速度光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的傳播速度小折射特點(diǎn)(1)光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時，折射角小于入射角(2)光從光密介質(zhì)射至光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角備注(1)光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的，并不是它的密度大小(2)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對而言的，并沒有絕對的意義2.全反射現(xiàn)象(1)臨界角：折射角為90時的入射角稱為全反射臨界角，簡稱臨界角，用C表示，Carcsin.(2)全反射發(fā)生的條件光從光密介質(zhì)射至光疏介質(zhì)入射角大于或等于臨界角(3)全反射現(xiàn)象中能量分配關(guān)系折射角隨著入射角的增大而增大，折射角增大的同時，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，亮度增強(qiáng)當(dāng)入射角增大到某一角度時(即臨界角)，折射光能量減弱到零(即折射角為90)，入射光的能量全部反射回來，這就是全反射現(xiàn)象例1(多選)如圖2所示，半圓形玻璃磚放在空氣中，三條同一顏色、強(qiáng)度相同的光線，均由空氣射入玻璃磚，到達(dá)玻璃磚的圓心位置下列說法正確的是()圖2A假若三條光線中有一條在O點(diǎn)發(fā)生了全反射，那一定是aO光線B.假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線cO一定能發(fā)生全反射C假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線aO一定能發(fā)生全反射D假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO的反射光線比光線cO的反射光線的亮度大答案ACD解析三條入射光線沿著指向圓心的方向由空氣射向玻璃磚，在圓周界面，它們的入射角為零，均不會偏折在直徑界面，光線aO的入射角最大，光線cO的入射角最小，它們都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，都有發(fā)生全反射的可能如果只有一條光線發(fā)生了全反射，那一定是aO光線，因?yàn)樗娜肷浣亲畲?，所以選項(xiàng)A對假若光線bO能發(fā)生全反射，說明它的入射角等于或大于臨界角，光線aO的入射角更大，所以，光線aO一定能發(fā)生全反射，光線cO的入射角可能大于或等于臨界角，也可能小于臨界角，因此，cO光線不一定能發(fā)生全反射所以選項(xiàng)C對，B錯假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO和光線cO都不能發(fā)生全反射，但bO光線的入射角更接近于臨界角，所以，光線bO的反射光線較光線cO的反射光線強(qiáng)，即光線bO的反射光線亮度較大，所以D對，本題答案選A、C、D.二、全反射現(xiàn)象的應(yīng)用導(dǎo)學(xué)探究如圖3所示，自行車后有尾燈，它雖然本身不發(fā)光，但在夜間行駛時，從后面開來的汽車發(fā)出的強(qiáng)光照在尾燈后，會有較強(qiáng)的光被反射回去，使汽車司機(jī)注意到前面有自行車那么自行車的尾燈采用了什么原理？圖3答案采用了全反射的原理知識深化1全反射棱鏡(1)構(gòu)造：截面為等腰直角三角形的棱鏡(2)特點(diǎn)：當(dāng)光垂直于它的一個界面射入后，會在其內(nèi)部發(fā)生全反射，比平面鏡的反射率高，幾乎可達(dá)100%；反射面不必涂任何反光物質(zhì)，反射失真小2光導(dǎo)纖維(1)原理：利用了光的全反射(2)構(gòu)造：光導(dǎo)纖維由內(nèi)層纖芯和外面包層兩層組成內(nèi)層纖芯的折射率比外面包層的大光傳播時在內(nèi)層纖芯與外面包層的界面上發(fā)生全反射(3)特點(diǎn)：容量大，能量損耗小、抗干擾能力強(qiáng)，保密性好等例2光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖4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(dǎo)纖維的說法正確的是()圖4A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(hù)作用答案A解析光導(dǎo)纖維很細(xì)，它由內(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)生全反射三、全反射的定量計算例3一厚度為h的大平板玻璃水平放置，其下表面貼有一半徑為r的圓形發(fā)光面在玻璃板上表面放置一半徑為R的圓紙片，圓紙片與圓形發(fā)光面的中心在同一豎直線上已知圓紙片恰好能完全遮擋住從圓形發(fā)光面發(fā)出的光線(不考慮反射)，求平板玻璃的折射率答案解析如圖，考慮從圓形發(fā)光面邊緣的A點(diǎn)發(fā)出的一條光線，假設(shè)它斜射到玻璃上表面的A點(diǎn)折射，根據(jù)折射定律有nsinsin式中，n是玻璃的折射率，是入射角，是折射角現(xiàn)假設(shè)A恰好在紙片邊緣：由題意，在A點(diǎn)剛好發(fā)生全反射，故sinsinC設(shè)AA線段在玻璃上表面的投影長為L，由幾何關(guān)系有sin由題意，紙片的半徑應(yīng)為RLr聯(lián)立以上各式得n1全反射與光導(dǎo)纖維2激光1如圖，一束光由空氣射向半圓柱體玻璃磚，O點(diǎn)為該玻璃磚截面的圓心，下圖能正確描述其光路的是()答案A解析光從玻璃磚射向空氣時，如果入射角大于臨界角，則發(fā)生全反射；如果入射角小于臨界角，則在界面處既有反射光線，又有折射光線，但折射角應(yīng)大于入射角，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)C錯誤當(dāng)光從空氣射入玻璃磚時，在界面處既有反射光線，又有折射光線，且入射角大于折射角，選項(xiàng)B、D錯誤2(多選)光從介質(zhì)a射向介質(zhì)b，如果要在a、b介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，那么必須滿足的條件是()Aa是光密介質(zhì)，b是光疏介質(zhì)B光在介質(zhì)a中的速度必須大于在介質(zhì)b中的速度C光的入射角必須大于或等于臨界角D光的入射角必須小于臨界角答案AC3讓激光照到CD機(jī)或計算機(jī)的光盤上，就可以讀出盤上記錄的信息，經(jīng)過處理后還原成聲音和圖像，這是利用光的()A平行度好，可以會聚到很小的一點(diǎn)上B相干性好，可以很容易形成干涉圖樣C亮度高，可以在很短時間內(nèi)集中很大的能量D波長短，很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象答案A解析激光的特點(diǎn)之一是平行度好，它可以會聚到一個很小的點(diǎn)上，DVD、VCD、CD唱機(jī)或電腦上的光驅(qū)及刻錄設(shè)備就利用了激光的這一特點(diǎn)，選項(xiàng)A正確，B、C、D錯誤一、選擇題1(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(rèn)為不存在折射光線而只有反射光線B光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，一定會發(fā)生全反射C光線從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，不可能發(fā)生全反射D水或玻璃中的氣泡看起來特別亮，是因?yàn)楣鈴乃虿Ａ湎驓馀輹r，在界面發(fā)生了全反射答案CD解析光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，當(dāng)入射角增大到某一角度后，折射光線完全消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象叫全反射，故A、B錯誤，C正確；光從水或玻璃射向氣泡時，一部分光在界面發(fā)生了全反射，即反射光增強(qiáng)，透射光減弱，使氣泡看起來特別亮，D正確2光線從折射率為的介質(zhì)中射向空氣，如果入射角為60，下圖所示光路正確的是()答案C解析根據(jù)sin C可求出臨界角為45，由于入射角大于臨界角，則必定發(fā)生全反射，因此只有反射光線而無折射光線3(多選)如圖1所示，ABCD是平面平行的透明玻璃磚，AB面和CD面平行，它們分別是玻璃和空氣的界面，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(dá)界面時的入射角，則()圖1A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)象答案CD解析在界面光由空氣進(jìn)入玻璃磚，是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，不管入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項(xiàng)C正確，A錯誤；在界面光由玻璃進(jìn)入空氣，是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，但是，由于界面和界面平行，光由界面進(jìn)入玻璃后再達(dá)到界面，在界面上的入射角等于在界面上的折射角，入射角總是小于臨界角，因此也不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項(xiàng)D也正確，B錯誤4在水底的潛水員看來，水面上方的所有景物只出現(xiàn)在頂角為97的倒立圓錐里，這是因?yàn)?)A水面上遠(yuǎn)處的景物反射的陽光都因?yàn)槿瓷涠荒苓M(jìn)入水中B水面上遠(yuǎn)處的景物反射的陽光折射進(jìn)入水中，其折射角不可能大于48.5C水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因?yàn)槿瓷涞脑虿豢赡苓M(jìn)入水中D水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因?yàn)檎凵涞脑虿豢赡苓M(jìn)入潛水員的眼中答案B解析水面上方的所有景物只出現(xiàn)在頂角為97的倒立圓錐里，這是由于水的臨界角為48.5，光由空中射入水中時，最大折射角為48.5，不能發(fā)生全反射；當(dāng)光由水中射向空中時有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象，故B正確，A、C、D錯5如圖2是在高山湖泊邊拍攝的一張風(fēng)景照片，湖水清澈見底，近處湖面水下的景物(石塊、砂礫等)都看得很清楚，而遠(yuǎn)處則只看到對岸山峰和天空彩虹的倒影，水面下的景物則根本看不到下列說法中正確的是()圖2A遠(yuǎn)處山峰的倒影非常清晰，是因?yàn)樯椒宓墓饩€在水面上發(fā)生了全反射B光線由水射入空氣，光的波速變大，波長變小C遠(yuǎn)處水面下景物的光線射到水面處，入射角很大，可能發(fā)生了全反射，所以看不見D近處水面下景物的光線射到水面處，入射角較小，反射光強(qiáng)而折射光弱，因此有較多的能量射出水面而進(jìn)入人眼睛中答案C解析遠(yuǎn)處山峰的倒影非常清晰，是因?yàn)樯椒宓墓饩€在水面上發(fā)生了反射，但不是全反射，因?yàn)槿瓷渲挥泄鈴墓饷芙橘|(zhì)射入光疏介質(zhì)時才可能發(fā)生，故A錯誤；光線由水射入空氣，光的波速變大，頻率不變，由波速公式vf知波長變大，故B錯誤；遠(yuǎn)處水面下景物的光線射到水面處，入射角很大，當(dāng)入射角大于等于全反射臨界角時能發(fā)生全反射，光線不能射出水面，因而看不見，故C正確；近處水面下景物的光線射到水面處，入射角越小，反射光越弱而折射光越強(qiáng)，射出水面而進(jìn)入人眼睛中能量越多，故D錯誤6(多選)以下說法中正確的是()A激光是一種人工產(chǎn)生的相干光，具有高度的相干性B由于激光的方向性好，所以激光不能發(fā)生衍射現(xiàn)象C光纖通信是激光和光導(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物D普通照相技術(shù)所記錄只是光波的強(qiáng)弱信息，而全息照相技術(shù)還可以記錄光波的相位信息答案ACD7在戰(zhàn)爭爆發(fā)時，某方欲用激光器擊毀位于地平線上方的敵方空間站，則應(yīng)將激光器()A瞄高些B瞄低些C沿視線直接瞄準(zhǔn)D若激光束是紅色，而空間站是藍(lán)色的，則應(yīng)瞄高些答案C解析空間站反射太陽的光射向地球，通過地球大氣層要發(fā)生折射，而激光器發(fā)出的光通過大氣層射向空間站也要發(fā)生折射，根據(jù)光路可逆，兩者的光路相同因此，A、B錯，C對D選項(xiàng)中空間站是藍(lán)色的，反射光也是藍(lán)色的，比紅色激光束的折射率大，由折射定律知應(yīng)瞄低些方能射中，故D錯二、非選擇題8一個半圓柱形玻璃磚，其橫截面是半徑為R的半圓，AB為半圓的直徑，O為圓心，如圖3所示，玻璃的折射率為n.圖3(1)一束平行光垂直射向玻璃磚的下表面，若光線到達(dá)上表面后，都能從該表面射出，則入射光束在AB上的最大寬度為多少？(2)一細(xì)束光線在O點(diǎn)左側(cè)與O相距R處垂直于AB從下方入射，求此光線從玻璃磚射出點(diǎn)的位置答案見解析解析(1)在O點(diǎn)左側(cè)，設(shè)從E點(diǎn)射入的光線進(jìn)入玻璃磚后在上表面的入射角恰好等于全反射的臨界角，則OE區(qū)域的入射光線經(jīng)上表面折射后都能從玻璃磚射出，如圖由全反射條件有sin由幾何關(guān)系有OERsin由對稱性可知，若光線都能從上表面射出，光束的寬度最大為l2OE聯(lián)立式，代入已知數(shù)據(jù)得lR(2)設(shè)光線在距O點(diǎn)R的C點(diǎn)射入后，在上表面的入射角為，由幾何關(guān)系及式和已知條件得60>光線在玻璃磚內(nèi)會發(fā)生三次全反射，最后由G點(diǎn)射出，如圖，由反射定律和幾何關(guān)系得OGOCR射到G點(diǎn)的光有一部分被反射，沿原路返回到達(dá)C點(diǎn)射出9某同學(xué)用大頭針、三角板、量角器等器材測半圓形玻璃磚的折射率開始玻璃磚的位置如圖4中實(shí)線所示，使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上，該直線垂直于玻璃磚的直徑邊，然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉(zhuǎn)動，同時在玻璃磚的直徑邊一側(cè)觀察P1、P2的像，且P2的像擋住P1的像如此觀察，當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)到圖中虛線位置時，上述現(xiàn)象恰好消失此時只須測量出_，即可計算出玻璃磚的折射率請用你的測量量表示出折射率n_.圖4答案玻璃磚直徑邊繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度解析若半圓形玻璃磚轉(zhuǎn)過角時在半圓形玻璃磚直徑一側(cè)恰好看不到P1、P2的像，那么此時恰好發(fā)生了全反射如圖所示，過P1、P2的光線在玻璃磚內(nèi)的入射角為，在空氣中折射角為90，根據(jù)折射定律得n，只要測出，就可求出玻璃磚的折射率10如圖5所示，abc是一塊用折射率n2的玻璃制成的透明體的橫截面，ab是半徑為R的圓弧，ac邊與bc邊垂直，aOc60.當(dāng)一束平行黃色光垂直照到ac上時，ab的外表面只有一部分是亮的，其余是暗的求發(fā)亮部分的弧長是多少？圖5答案R解析假定光線MN射到ab界面上時恰好發(fā)生了全反射，則MN上方的光線一定在界面ab上發(fā)生了全反射，因此只有射到界面Nb上的光線才能射出玻璃，界面Nb部分是亮的由sinC，得C30.由幾何關(guān)系知30，所以弧Nb的長度：s2RR.11一足夠深的水池內(nèi)盛有某種透明液體，液體的深度為H，在水池的底部中央放一點(diǎn)光源，其中一條光線以30入射角射到液體與空氣的界面上，它的反射光線與折射光線的夾角為105，如圖6所示求：圖6(1)這種液體的折射率；(2)液體表面亮斑的面積答案(1)(2)H2解析(1)由于反射光線與折射光線的夾角為105，入射角i30，則折射角r45；n.(2)sinC，C45所以亮斑的半徑RH，亮斑面積SR2H2.12.如圖7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PQ端面射出圖7(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_(填“能”“不能”或“無法確定能否”)發(fā)生全反射答案(1)(2)能解析(1)如圖所示，單色光照射到EF弧面上時恰好發(fā)生全反射，由全反射的條件可知C45由折射定律得n聯(lián)立式解得n(2)當(dāng)入射光向N端移動時，光線在EF面上的入射角將增大，所以能發(fā)生全反射13如圖8所示，折射率n的半圓形玻璃磚置于光屏MN的上方，其平面AB與MN的距離h10cm.一束單色光沿圖示方向射向圓心O，經(jīng)玻璃磚后射到光屏上的O點(diǎn)現(xiàn)使玻璃磚繞圓心O點(diǎn)順時針轉(zhuǎn)動，光屏上的折射光線光點(diǎn)距O點(diǎn)的距離最遠(yuǎn)時，求：圖8(1)此時玻璃磚轉(zhuǎn)過的角度；(2)光屏上的折射光線光點(diǎn)距O點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離答案(1)(2)cm解析(1)如圖，設(shè)玻璃磚轉(zhuǎn)過角時折射光線光點(diǎn)離O點(diǎn)最遠(yuǎn)，記此時光點(diǎn)位置為A，此時光線在玻璃磚的平面上恰好發(fā)生全反射，臨界角為C，由折射定律有sinC，可得全反射的臨界角C.由幾何關(guān)系知，C，此時玻璃磚轉(zhuǎn)過的角度為.(2)折射光線光點(diǎn)A到O的距離為sAO解得sAOcm