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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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 。