4.3光的全反射 学案(2020年教科版高中物理选修3-4)
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1、3 光的全反射光的全反射 学科素养与目标要求 物理观念:1.知道什么是光疏介质和光密介质,理解它们具有相对性.2.理解全反射现象,掌握临 界角的概念和全反射的条件.3.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用. 科学思维:利用全反射条件,应用临界角公式解答相关问题. 科学探究:采用实验观察、猜想、验证、归纳的方法得出全反射现象的发生条件、临界角概 念等. 一、全反射现象及条件 1.光密介质和光疏介质 (1)对于两种介质来说,光在其中传播速度较小的介质,即折射率较大的介质叫光密介质;光 在其中传播速度较大的介质,即折射率较小的介质叫光疏介质. (2)光疏介质和光密介质是相对的. 2.
2、全反射 (1)定义:光从光密介质射到光疏介质的界面时,全部被反射回原介质的现象. (2)全反射的条件 光需从光密介质射至光疏介质的界面上. 入射角必须等于或大于临界角. (3)临界角 定义:光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为 90 时的入射角,称作这种介质的临 界角. 临界角 C 与折射率 n 的关系:sin C1 n. 二、全反射的应用光导纤维 1.光纤的工作原理:由于有机玻璃的折射率大于空气的折射率,当光从有机玻璃棒的一端射 入时,可以沿着有机玻璃棒的表面发生多次全反射,从另一端射出. 2.光导纤维的构造:由两种折射率不同的玻璃制成,分内、外两层,内层玻璃的折射率比外 层玻璃的折射率
3、大.当光从一端进入光纤时,将会在两层玻璃的界面上发生全反射. 3.光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输速率高. 4.应用:光纤通信;医学上的内窥镜. 1.判断下列说法的正误. (1)入射角大于临界角就会发生全反射现象.( ) (2)光密介质是指密度大的介质.( ) (3)光在光导纤维中的传播速度小于真空中的光速 c.( ) 2.一束光从某介质进入真空,方向如图 1 所示,则该介质的折射率为_;逐渐增大入 射角,光线将_(填“能”或“不能”)发生全反射;若使光发生全反射,应使光从 _射入_,且入射角大于等于_. 图 1 答案 2 能 介质 真空 45 一、全反射 当光从水中射向水与
4、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? 答案 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. 1.全反射现象 (1)全反射的条件: 光由光密介质射入光疏介质. 入射角大于或等于临界角. (2)全反射遵循的规律:发生全反射时,光全部返回原介质,入射光与反射光遵循光的反射 定律.全反射的临界角 C 和折射率 n 的关系:sin C1 n. (3)从能量角度来理解全反射:当光从光密介质射入光疏介质时,随着入射角增大,折射角也 增大.同时折射光线强度减弱,能量减小,反射光线强度增强,能量增加
5、,当入射角达到临界 角时,折射光线强度减弱到零,反射光线的能量等于入射光线的能量. 2.不同色光的临界角: 由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同, 频率越大的 光,折射率也越大,所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时,频率越大的光的临界 角越小,越易发生全反射. 例 1 某种介质对空气的折射率是 2,一束光从该介质射向空气,入射角是 60 ,则下列光 路图中正确的是(图中为空气,为介质)( ) 答案 D 解析 由题意知,光由光密介质射向光疏介质,由 sin C1 n 2 2 ,得 C45 60 ,故 在两介质的界面上会发生全反射,只有反射光线,没有折射光线,故选项 D 正确
6、. 二、全反射的应用光导纤维 如图所示是光导纤维的结构示意图, 其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成.构成内芯 和外套的两种介质,哪个折射率大?为什么? 答案 内芯的折射率大.因为当内芯的折射率大于外套的折射率时,光在传播时能发生全反 射,光线经过多次全反射后能从一端传到另一端. 1.光导纤维的构造及传播原理 (1)构造:光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径约几微米到一百微米不等,如图 2 所示, 它是由内芯和外套两层组成的,内芯的折射率大于外套的折射率. 图 2 (2)传播原理:光由一端进入,在两层的界面上经过多次全反射,从另一端射出,光导纤维可 以远距离传播光信号,光信号又可以转换成电
7、信号,进而变为声音、图像. 2.光导纤维的折射率:设光导纤维的折射率为 n,当入射角为 1时,进入光导纤维的光线传 到侧面恰好发生全反射,则有:sin C1 n,n sin 1 sin 2,C290 ,由以上各式可得:sin 1 n21. 由图 3 可知:当 1增大时,2增大,由光导纤维射向空气的光线的入射角 减小,当 190 时,则 为最小值,若此时 C,则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射,即解得 n 2. 图 3 以上是光从光导纤维射向真空时得到的折射率,由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真 空的折射率大,因此光导纤维的折射率要比 2大些. 例 2 如图 4 所示,AB 为一直光导
8、纤维,A、B 之间距离为 s,使一光脉冲信号从光导纤维 中间入射,射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射,由 A 点传输到 B 点所用时间 为 t,求光导纤维所用材料的折射率 n.(已知光在真空中的传播速度为 c) 图 4 答案 ct s 解析 设光导纤维所用材料的折射率为 n,则有 sin sin C1 n nc v t s sin v s vsin 由以上三式解得 t s c n 1 n sn 2 c , 所以 n ct s . 学科素养 例 2 这道题是全反射知识的应用,注意挖掘题目中隐含条件,“恰好”暗含的 条件是入射角等于临界角.本题意在考查学生灵活运用相关知识解决实际问题的能
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