《2018-2019版高中物理 第4章 光的波動性 4.6 全反射與光導(dǎo)纖維 4.7 激光學(xué)案 滬科版選修3-4.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019版高中物理 第4章 光的波動性 4.6 全反射與光導(dǎo)纖維 4.7 激光學(xué)案 滬科版選修3-4.doc（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

4.6　全反射與光導(dǎo)纖維 4.7　激光 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.認識光的全反射現(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，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，傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度 激光會聚一點，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 (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，C＝arcsin. (2)全反射發(fā)生的條件 ①光從光密介質(zhì)射至光疏介質(zhì)． ②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 ①折射角隨著入射角的增大而增大，折射角增大的同時，折射光線的強度減弱，即折射光線的能量減小，亮度減弱，而反射光線的強度增強，能量增大，亮度增強． ②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、強度相同的光線，均由空氣射入玻璃磚，到達玻璃磚的圓心位置．下列說法正確的是(　　) 圖2 A．假若三條光線中有一條在O點發(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，因為它的入射角最大，所以選項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，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)出的強光照在尾燈后，會有較強的光被反射回去，使汽車司機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：①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100%；②反射面不必涂任何反光物質(zhì)，反射失真?。? 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：容量大，能量損耗小、抗干擾能力強，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4 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(dǎo)纖維很細，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點發(fā)出的一條光線，假設(shè)它斜射到玻璃上表面的A′點折射，根據(jù)折射定律有nsinθ＝sinα 式中，n是玻璃的折射率，θ是入射角，α是折射角． 現(xiàn)假設(shè)A′恰好在紙片邊緣：由題意，在A′點剛好發(fā)生全反射，故sinθ＝sinC＝ 設(shè)AA′線段在玻璃上表面的投影長為L，由幾何關(guān)系有sinθ＝ 由題意，紙片的半徑應(yīng)為R＝L＋r 聯(lián)立以上各式得n＝ 1．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　①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A正確，選項C錯誤． ②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(　　) A．a(chǎn)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　AC 3．讓激光照到CD機或計算機的光盤上，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　激光的特點之一是平行度好，它可以會聚到一個很小的點上，DVD、VCD、CD唱機或電腦上的光驅(qū)及刻錄設(shè)備就利用了激光的這一特點，選項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，是因為光從水或玻璃射向氣泡時，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，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Ⅰ和界面Ⅱ，光線從界面Ⅰ射入玻璃磚，再從界面Ⅱ射出，回到空氣中，如果改變光到達界面Ⅰ時的入射角，則(　　) 圖1 A．只要入射角足夠大，光線在界面Ⅰ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Ⅱ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Ⅰ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Ⅱ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 答案　CD 解析　在界面Ⅰ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，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項C正確，A錯誤；在界面Ⅱ光由玻璃進入空氣，是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ進入玻璃后再達到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ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，這是因為(　　) A．水面上遠處的景物反射的陽光都因為全反射而不能進入水中 B．水面上遠處的景物反射的陽光折射進入水中，其折射角不可能大于48.5 C．水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因為全反射的原因不可能進入水中 D．水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因為折射的原因不可能進入潛水員的眼中 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2 A．遠處山峰的倒影非常清晰，是因為山峰的光線在水面上發(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，反射光強而折射光弱，因此有較多的能量射出水面而進入人眼睛中 答案　C 解析　遠處山峰的倒影非常清晰，是因為山峰的光線在水面上發(fā)生了反射，但不是全反射，因為全反射只有光從光密介質(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v＝λf知波長變大，故B錯誤；遠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，射出水面而進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　ACD 7．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選項中空間站是藍色的，反射光也是藍色的，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)一細束光線在O點左側(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的位置． 答案　見解析 解析　(1)在O點左側(cè)， 設(shè)從E點射入的光線進入玻璃磚后在上表面的入射角恰好等于全反射的臨界角θ，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sinθ＝① 由幾何關(guān)系有OE＝Rsinθ② 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l＝2OE③ 聯(lián)立①②③式，代入已知數(shù)據(jù)得 l＝R④ (2)設(shè)光線在距O點R的C點射入后，在上表面的入射角為α，由幾何關(guān)系及①式和已知條件得 α＝60>θ⑤ 光線在玻璃磚內(nèi)會發(fā)生三次全反射，最后由G點射出，如圖，由反射定律和幾何關(guān)系得 OG＝OC＝R⑥ 射到G點的光有一部分被反射，沿原路返回到達C點射出． 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點轉(zhuǎn)過的角度θ　 解析　若半圓形玻璃磚轉(zhuǎn)過θ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θ，在空氣中折射角為90，根據(jù)折射定律得n＝＝，只要測出θ，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n＝2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，∠aOc＝60.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　πR 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∠C＝30. 由幾何關(guān)系知θ＝30，所以弧Nb的長度：s＝2πR＝πR. 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)πH2 解析　(1)由于反射光線與折射光線的夾角為105，入射角i＝30，則折射角r＝45；n＝＝. (2)sinC＝＝，C＝45 所以亮斑的半徑R＝H，亮斑面積S＝πR2＝πH2. 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，一細束單色光由MN端面的中點垂直射入，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C＝45① 由折射定律得n＝② 聯(lián)立①②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h＝10cm.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．現(xiàn)使玻璃磚繞圓心O點順時針轉(zhuǎn)動，光屏上的折射光線光點距O′點的距離最遠時，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距O′點的最遠距離． 答案　(1)　(2)cm 解析　(1)如圖，設(shè)玻璃磚轉(zhuǎn)過α角時折射光線光點離O′點最遠，記此時光點位置為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，α＝C＝，此時玻璃磚轉(zhuǎn)過的角度為. (2)折射光線光點A到O′的距離為sAO′＝ 解得sAO′＝cm