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    4.3光的全反射-4.4光导纤维及其应用 学案(含答案)

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    4.3光的全反射-4.4光导纤维及其应用 学案(含答案)

    1、第第 3 节节 光的全反射光的全反射 第第 4 节节 光导纤维及其应用光导纤维及其应用 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.知道光疏介质、光密介质、全 反射、临界角的概念。 2.理解全反射的条件,能进行相 关的计算。 3.了解光导纤维的工作原理及 在实际中的应用。 4.认识全反射棱镜。 1.科学思维 (1)将自然现象转化为物理模型。 (2)利用光路图解决全反射问题。 2.科学态度与责任 通过光导纤维技术的应用,体会物理技术对人 类生活和社会发展带来的影响。 一、全反射及其产生条件 1光疏介质和光密介质 (1)定义:折射率较小的介质称为光疏介质,折射率较大的介质称为光密介质。 (2)对光疏介质

    2、和光密介质的理解 光疏介质和光密介质是相对而言的。 光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小。 光从光密介质进入光疏介质时,折射角大于入射角;反之,光由光疏介质进入 光密介质时,折射角小于入射角。 光疏和光密是相对介质的光学特性来说的,并不指它的密度大小。 2全反射 (1)定义:当光从光密介质射向光疏介质时,同时发生折射和反射。如果入射角逐 渐增大,折射光离法线会越来越远,而且越来越弱,反射光却越来越强。当入射 角增大到某一角度,使折射角达到 90时,折射光完全消失,只剩下反射光,这 种现象叫作全反射。这时的入射角叫作临界角。 (2)折射率与临界角的关系:sin C1 n。 (3)发

    3、生全反射的条件 光从光密介质射入光疏介质。 入射角大于或等于临界角。 判一判 (1)因为水的密度大于酒精的密度,所以水是光密介质。() (2)同一束光,在光密介质中的传播速度较大。() (3)发生全反射时,仍有折射光线,只是折射光线非常弱,因此可以认为不存在折 射光线而只有反射光线。() (4)光线从光密介质射向光疏介质时,一定会发生全反射现象。() 二、全反射现象 1解释全反射现象 (1)熏黑的铁球放入水中时, 球面与水之间形成空气层。 日光从水照射到空气层时, 会有部分光发生全反射,球看上去就变得锃亮了。 (2)浴缸中上升气泡亮晶晶的,是由于光射到气泡上发生了全反射。 (3)在沙漠里,接近

    4、地面的热空气的折射率比上层空气的折射率小,从远处物体射 向地面的光,进入折射率较小的热空气层时被折射,当入射角大于临界角时发生 全反射,人们逆着反射光看去,就会看到远处物体的倒景。 2全反射棱镜 (1)形状:截面为等腰直角三角形的棱镜。 (2)光学特性 当光垂直于截面的直角边射入棱镜时,光在截面的斜边上发生全反射,光射出 棱镜时,传播方向改变了 90 。 当光垂直于截面的斜边射入棱镜时,在直角边上各发生一次全反射,使光的传 播方向改变了 180 。 (3)应用:代替镀银平面镜来反射光、应用于潜望镜。 判一判 (1)在沙漠里看到的蜃景是一种全反射现象。() (2)早晨露珠晶莹透亮,是光线在露珠中

    5、发生了全反射。() (3)全反射棱镜的临界角可以大于 45 。() 三、光导纤维及其应用 1光导纤维的工作原理 (1)光导纤维:把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝,再包上折射率比它 小的材料,就制成了光导纤维,简称光纤。 (2)传导原理:光纤一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组 成。 光在光导纤维内传播时, 由光密介质(n1)入射到光疏介质(n2), 若入射角 iC, 光就会在光纤内不断发生全反射。 2光纤通信的优点 光缆大大增加了声音、图像和数据量的传输,其通信容量远大于电缆。 判一判 (1)光导纤维传递光信号是利用光的直线传播的原理。() (2)光在光导纤维中的传播

    6、的速度小于光在真空中的光速 c。() (3)光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率,光传播时在内芯和外套的界面上发 生全反射。() 探究探究 1 全反射的理解全反射的理解 情境导入 (1)当光从水中射向与玻璃的交界面时,只要入射角足够大就会发生全反射,这种 说法正确吗?为什么? (2)临界角与折射率的关系式 sin C1 n是否适用于光从任意光密介质进入光疏介质 的情况? 答案 (1)不正确。要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质。而水相对玻 璃是光疏介质,所以不管入射角多大都不可能发生全反射。 (2)不适用。该公式只适用于光从光密介质射入空气(或真空)时的情况。 归纳拓展 1光疏介质和光密

    7、介质的比较 光的传播速度 折射率 光疏介质 大 小 光密介质 小 大 2.对全反射的理解 (1)全反射是光的折射的特殊现象,全反射现象还可以从能量变化的角度加以理解。 当光线从光密介质射入光疏介质,在入射角逐渐增大的过程中,反射光的能量逐 渐增强,折射光的能量逐渐减弱,当入射角等于临界角时,折射光的能量已经减 弱为零,发生了全反射。 (2)全反射遵循的规律:光由光密介质进入光疏介质发生全反射时,仍然遵守反射 定律。有关计算仍可依据反射定律进行。 (3)光从光密介质射向光疏介质时,只要入射角大于或等于临界角 C,一定会发生 全反射现象。 【例 1】 (2021 北科大附中期末)如图所示,一束可见

    8、光射向半圆形玻璃砖的圆 心 O,经折射后分为两束单色光 a 和 b。下列判断正确的是( ) A玻璃对 a 光的折射率小于对 b 光的折射率 B逐渐增大入射角,b 光首先发生全反射 C在玻璃中,a 光的速度大于 b 光的速度 D在真空中,a 光的波长小于 b 光的波长 答案 D 解析 因为 a 光的偏折程度大于 b 光,所以根据折射定律得知玻璃对 a 光的折射 率大于对 b 光的折射率,A 错误;根据全反射临界角公式 sin C1 n知,a 光的临 界角小于 b 光的临界角,a 光首先发生全反射,B 错误;由 vc n可知,a 光的折 射率较大,则在玻璃砖中,a 光的速度小于 b 光的速度,C

    9、错误;根据折射率大, 频率大,波长短,可知 a 光的折射率大于 b 光的折射率,则 a 光在真空中的波长 小于 b 光在真空中的波长,D 正确。 【针对训练 1】 (2021 山西应县一中期中)如图所示,在水面下同一深度并排紧 挨着放置分别能发出红光、黄光、蓝光和紫光的四个灯泡,一人站在这四盏灯斜 上方离水面有一定距离处观察,他感觉离水面最近的那盏灯发出的光是( ) A红光 B黄光 C蓝光 D紫光 答案 D 解析 光线从水中射入空气中折射时,折射角大于入射角,所以,水面上方的人 看水中的灯觉得变浅。水对紫光的折射率最大,相同入射角时,折射角最大,水 面上方的人看水中的紫光灯最浅。故 A、B、C

    10、 错误,D 正确。 探究探究 2 全反射的计算全反射的计算 1确定光是由光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质。 2若光由光密介质进入光疏介质时,根据 sin C1 n确定临界角,看是否发生全反 射。 3根据题设条件,画出入射角等于临界角的“临界光路”。 4运用几何知识进行判断推理,运算及变换。 【例 2】 (2021 山东省泰安第十九中学月考)如图所示,一块上、下表面平行的 玻璃砖的厚度为 L,玻璃砖的折射率 n 3,若光从上表面 AB 射入的入射角 i 60 ,光在真空中的光速为 c,则( ) A折射角 r30 B光在玻璃中传播的时间为2 3L 3c C光在玻璃中传播的时间为2L

    11、3c D改变入射角 i,光在下表面 CD 可能发生全发射 答案 A 解析 由 nsin i sin r得 sin r sin i n sin 60 3 0.5,得 r30 ,A 正确;光在玻璃中传 播的速度为 vc n,由几何知识可知光在玻璃中传播的路程为 s L cos r,则光在玻 璃中传播的时间为 ts v nL c cos r 3L c cos 30 2L c ,B、C 错误;由于光在 CD 面上 的入射角等于光在 AB 面上的折射角,根据光路可逆性原理得知光一定能从 CD 面射出,不可能在下表面 CD 发生全发射,D 错误。 【针对训练 2】 (2021 北京八中期末)如图所示,AB

    12、 为空气与某种介质的界面, 直线 MN 垂直于界面 AB, 光由空气射入折射率 n 3的这种介质。 已知光在空气 中的传播速度约为 3108 m/s,求: (1)当入射角 i60 时,折射角 r; (2)光在这种介质中的传播速度大小 v; (3)若光由这种介质射向空气,发生全反射的临界角的正弦值 sin C。 答案 (1)30 (2) 3108 m/s (3) 3 3 解析 (1)根据折射定律 nsin i sin r 可知 sin rsin i n 3 2 3 1 2 解得折射角为 r30 。 (2)在介质中传播速度为 vc n 3108 3 m/s 3108 m/s。 (3)设光由这种介质

    13、射向空气,发生全反射的临界角为 C,有 sin C1 n 3 3 。 探究探究 3 全反射现象及应用全反射现象及应用 1全反射棱镜对光路的几种控制情形 (1)如图甲所示, 光线垂直 AB 面射入, 在 AC 面发生全反射, 光线方向改变了 90 。 (2)如图乙所示,光线垂直 AC 面射入,在 AB、BC 面发生全反射,光线方向改变 了 180 。 (3)如图丙所示,光线平行 AC 面射入,在 AC 面发生全反射,射出后方向不变, 发生侧移。 2全反射棱镜的应用 生活中有许多地方都用到了全反射棱镜,例如自行车尾灯。在光学仪器里,常用 全反射棱镜来代替平面镜,改变光的传播方向。图乙是全反射棱镜应

    14、用在潜望镜 里的光路图。 全反射棱镜不一定只是等腰直角三角形棱镜,还有多边形棱镜、半圆形棱镜、球 形棱镜等。 3光导纤维 (1)光纤通信原理:光纤通信利用了全反射原理。 实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝,一定程度上可以弯折,直径只有几微 米到一百微米,由内芯和外套组成。如图所示,内芯的折射率比外套的大,光传 播时在内芯与外套的界面上发生全反射, 使反射光的能量最强, 实现远距离传送。 (2)光纤的应用 携带着数码信息、电视图像、声音等的光信号沿着光纤传输到很远的地方,实现 光纤通信。 (3)光纤通信的优点 光纤通信的主要优点是传输容量大。此外,光纤传输还有衰减小、抗干扰及保密 性强等多方面

    15、的优点。 【例 3】 空气中两条光线 a 和 b 从方框左侧入射,分别从方框下方和上方射出, 其框外光线如图所示。方框内有两个折射率 n1.5 的玻璃全反射棱镜,下图给出 了两棱镜四种放置方式的示意图。其中能产生图中效果的是( ) 答案 B 解析 四个选项产生光路效果如图所示: 由图可知 B 项正确。 【针对训练 3】 光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输。如图所示,一条 圆柱形的光导纤维,长为 L,玻璃芯的折射率为 n1,外层材料的折射率为 n2,光 在空气中的传播速度为 c,若光从它的一端射入经全反射后从另一端射出所需的 最长时间为 t,则下列说法正确的是(图中所示的 为全反射的临界角

    16、,其中 sin n2 n1)( ) An1n2,tn1L n2c Bn1n2,tn 2 1L n2c Cn1n2,tn1L n2c Dn1n2。 传播距离为 x L sin n1L n2 , 传播速度为 v c n1, 故传播时间为 t x v n1L n2 c n1 n 2 1L n2c,故选项 B 正确。 1(对全反射的理解)光从一种介质射到另一种介质时,发生了全反射,则全反射 发生在( ) A折射率较小的介质中 B折射率较大的介质中 C光速较大的介质中 D入射角小于临界角 答案 B 解析 光从光密介质射到光疏介质才可能发生全反射,且要求入射角大于等于临 界角,而光密介质的折射率大、光速小

    17、。 2(全反射的应用)如图所示为光线由空气进入全反射玻璃棱镜、再由棱镜射入空 气的光路图。正确的是( ) 答案 A 解析 光垂直等腰直角三角形的某直角边射入玻璃棱镜时,在斜边发生全反射, 在直角边光线不发生改变,故 A 正确。 3(全反射的计算)(多选)一束光从空气射向折射率为 n 2的某种玻璃的表面,i 代表入射角,则( ) A当 i45 时,会发生全反射现象 B无论入射角 i 多大,折射角都不会超过 45 C欲使折射角等于 30 ,应以 i45 的角度入射 D当 tan i3 时,反射光线跟折射光线恰好互相垂直 答案 BC 解析 光从光疏介质射向光密介质不会发生全反射, 选项 A 错误;

    18、由折射定律sin i sin r 2,则 sin rsin i 2 ,因 i90 ,故 r45 ,选项 B 正确;若 r30 ,则 sin i nsin r 2 2 ,即 i45 ,选项 C 正确;当 tan i3 时,sin i3 10 10 ,则 sin rsin i 2 3 5 10 ,cos r 11 20,所以 ir90 ,由几何知识,两光线不垂直,选项 D 错 误。 4(全反射的计算)光在某种介质中传播时的速度为 1.5108 m/s,那么,光从此 种介质射向空气并发生全反射的临界角应为( ) A60 B45 C30 D75 答案 C 解析 根据 nc v,sin C 1 n,得 sin C v c 1.5108 3.0108 1 2,得 C30 。


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