浙江省2018-2019版高中物理 第十三章 光 第2課時(shí) 全反射學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、 第2課時(shí)　全反射 [研究選考·把握考情] 知識(shí)內(nèi)容 全反射 考試要求 加試b 教學(xué)要求 1.區(qū)分光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) 2.了解光的全反射現(xiàn)象，知道全反射現(xiàn)象產(chǎn)生的條件 3.知道光導(dǎo)纖維和全反射棱鏡，了解它們的應(yīng)用 4.會(huì)計(jì)算全反射臨界角 知識(shí)點(diǎn)一　全反射 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) (1)折射率較小的介質(zhì)稱(chēng)為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)稱(chēng)為光密介質(zhì)。 (2)光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對(duì)的。 2.全反射 當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，同時(shí)發(fā)生折射和反射，如果入射角逐漸增大，折射光離法線(xiàn)會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，而且越來(lái)越弱，反射光卻越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)入射角增大到某一

2、角度，使折射角達(dá)到90°時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。 3.臨界角 (1)定義：折射角為90°時(shí)的入射角叫做臨界角。 (2)臨界角C與折射率n的關(guān)系：sin__C＝。 4.發(fā)生全反射的條件 當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角等于或大于臨界角，就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。 [要 點(diǎn) 精 講] 1.對(duì)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解 (1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對(duì)而言的。 (2)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。 (3)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角。 (4)光疏和光密是從介質(zhì)的

3、光學(xué)特性來(lái)說(shuō)的，并不指它的密度大小。 2.全反射 (1)臨界角：折射角為90°時(shí)的入射角稱(chēng)為全反射的臨界角，用C表示，sin C＝。 (2)全反射的條件：①光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；②入射角大于或等于臨界角。 (3)全反射遵循的規(guī)律：發(fā)生全反射時(shí)，光全部返回原介質(zhì)，入射光與反射光遵循光的反射定律。 【例題 】 某種介質(zhì)對(duì)空氣的折射率是，一束光從該介質(zhì)射向空氣，入射角是60°，則下列光路圖中正確的是(圖中Ⅰ為空氣，Ⅱ?yàn)榻橘|(zhì))(　　) 解析　由題意知，光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，由sin C＝＝，得C＝45°＜θ1＝60°，故在兩介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生全反射，只有反射光線(xiàn)，沒(méi)有折射光線(xiàn)，

4、故選項(xiàng)D正確。 答案　D 知識(shí)點(diǎn)二　全反射棱鏡 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.定義：用玻璃制成的截面為等腰直角三角形的棱鏡。 2.當(dāng)光垂直于它的一個(gè)界面射入后，會(huì)在其內(nèi)部發(fā)生全反射(如圖1)。全反射棱鏡比平面鏡的反射率高，幾乎可達(dá)100%。 圖1 [即 學(xué) 即 練] 空氣中兩條光線(xiàn)a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線(xiàn)如圖2所示。方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n＝1.5的玻璃全反射棱鏡。下圖給出了兩棱鏡的四種放置方式的示意圖。其中能產(chǎn)生圖中效果的是(　　) 圖2 解析　四個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生光路效果如下圖： 由上圖可知B項(xiàng)正確。 答案　B 知識(shí)點(diǎn)三　光導(dǎo)纖維

5、 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.構(gòu)造及傳播原理：光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套大，光由一端進(jìn)入，在兩層的界面上經(jīng)過(guò)多次全反射，從另一端射出，如圖3所示。 圖3 2.應(yīng)用：光纖通訊、醫(yī)學(xué)上的內(nèi)窺鏡。 [即 學(xué) 即 練] 如圖4所示是兩個(gè)城市間的光纜中的一條光導(dǎo)纖維，光纜長(zhǎng)為L(zhǎng)，它的玻璃芯的折射率為n1，外層材料的折射率為n2，光在空氣中的傳播速度為c，光由它的一端射入，經(jīng)全反射后從另一端射出(已知sin θ＝n2/n1，其中θ為全反射的臨界角)，則有(　　) 圖4 A.n1>n2 B.n1

6、要的時(shí)間等于 D.光從它的一端射入到從另一端射出所需要的時(shí)間等于 解析　根據(jù)全反射的條件可知：玻璃芯的折射率n1要大于外層材料的折射率n2，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；據(jù)題意有sin θ＝，而sin θ＝，s為光在光導(dǎo)纖維中的路程。在玻璃芯中傳播時(shí)s＝t，聯(lián)立解得t＝，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤。 答案 A　 1.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(mǎn)足的條件是(　　) A.a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 2.如圖5所示，相互平行的平面

7、Ⅰ和Ⅱ?yàn)閮煞N光介質(zhì)的分界面，兩平面外為介質(zhì)1，兩平面間為介質(zhì)2，一單色光以一定的入射角入射到界面Ⅰ上，已知介質(zhì)1和介質(zhì)2對(duì)此光的折射率分別為n1和n2，則以下說(shuō)法正確的有(　　) 圖5 A.若n1＜n2，此光線(xiàn)可能在界面Ⅱ上發(fā)生全反射 B.若n1＜n2，此光線(xiàn)一定在界面Ⅱ上發(fā)生全反射 C.若n1＞n2，此光線(xiàn)可能在界面Ⅰ上發(fā)生全反射 D.若n1＞n2，此光線(xiàn)一定在界面Ⅰ上發(fā)生全反射 解析　無(wú)論n1＞n2，還是n1＜n2，此光線(xiàn)若能射入介質(zhì)2，則在界面Ⅱ上的折射角一定和介質(zhì)Ⅰ中的入射角相等，即不可能發(fā)生全反射，故A、B錯(cuò)誤；若n1＞n2，此光線(xiàn)在界面Ⅰ是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，有

8、可能發(fā)生全反射，但不絕對(duì)，故C正確，D錯(cuò)誤。 答案　C 3.光在某種介質(zhì)中的傳播速度是1.5×108 m/s，光從該介質(zhì)射向空氣時(shí)(　　) A.臨界角是30° B.大于或等于30°的所有角都是臨界角 C.入射角大于或等于30°時(shí)都能發(fā)生全反射 D.臨界角可能是60° 解析　由n＝＝＝2，sin C＝知臨界角C＝30°，所以A、C正確。 答案　AC 4.如圖6所示，是在高山湖泊邊拍攝的一張風(fēng)景照片，湖水清澈見(jiàn)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(duì)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(shuō)法中正確的是(　　) 圖6 A.遠(yuǎn)處山峰

9、的倒影非常清晰，是因?yàn)樯椒宓墓饩€(xiàn)在水面上發(fā)生了全反射 B.光線(xiàn)由水射入空氣，光的波速變大，波長(zhǎng)變小 C.遠(yuǎn)處水面下景物的光線(xiàn)射到水面處，入射角很大，可能發(fā)生了全反射，所以看不見(jiàn) D.近處水面下景物的光線(xiàn)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 解析　遠(yuǎn)處山峰的倒影非常清晰，是因?yàn)樯椒宓墓饩€(xiàn)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(shí)才可能發(fā)生，故A錯(cuò)誤；光線(xiàn)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(zhǎng)變大，故B錯(cuò)誤；遠(yuǎn)處水面下景物的光線(xiàn)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(shí)能發(fā)生全

10、反射，光線(xiàn)不能射出水面，因而看不見(jiàn)，故C正確；近處水面下景物的光線(xiàn)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)入人眼睛中能量越少，故D錯(cuò)誤。 答案 C　 一、選擇題(在每小題給出的四個(gè)備選項(xiàng)中至少有一個(gè)是符合題目要求的。) 1.下列說(shuō)法正確的是(　　) A.因?yàn)樗拿芏却笥诰凭拿芏?，所以水是光密介質(zhì) B.因?yàn)樗恼凵渎市∮诰凭恼凵渎?，所以水?duì)酒精來(lái)說(shuō)是光疏介質(zhì) C.同一束光，在光密介質(zhì)中的傳播速度較大 D.同一束光，在光密介質(zhì)中的傳播速度較小 解析　因?yàn)樗恼凵渎蕿?.33，酒精的折射率為1.36，所以水對(duì)酒精來(lái)說(shuō)是光疏介質(zhì)；由v＝可知，光在光密介質(zhì)中的傳

11、播速度較小。 答案　BD 2.當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)(　　) A.反射光線(xiàn)的強(qiáng)度隨入射角的增大而減小 B.折射光線(xiàn)的強(qiáng)度隨入射角的增大而減小 C.當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，折射光線(xiàn)的強(qiáng)度等于零 D.當(dāng)入射角等于零時(shí)，反射光線(xiàn)的強(qiáng)度等于零 解析　反射光的強(qiáng)度隨入射角的增大而增大，折射光的強(qiáng)度隨入射角的增大而減小，當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)中的光線(xiàn)恰好發(fā)生全反射，故折射光線(xiàn)的強(qiáng)度等于零。 答案　BC 3.以下哪些現(xiàn)象是由于光的全反射形成的(　　) A.在岸上能看見(jiàn)水中的魚(yú) B.夜晚，湖面上映出了岸上的彩燈 C.夏天，海面上出現(xiàn)的海市蜃樓 D.水中的氣泡

12、看起來(lái)特別明亮 答案　CD 4.關(guān)于光纖的說(shuō)法，正確的是(　　) A.光纖是由高級(jí)金屬制成的，所以它比普通電線(xiàn)容量大 B.光纖是非常細(xì)的特制玻璃絲，但導(dǎo)電性能特別好，所以它比普通電線(xiàn)衰減小 C.光纖是非常細(xì)的特制玻璃絲，由內(nèi)芯和外套兩層組成，光纖是利用全反射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)的 D.在實(shí)際應(yīng)用中，光纖必須呈筆直狀態(tài)，因?yàn)閺澢墓饫w是不能傳導(dǎo)光的 解析　光導(dǎo)纖維的作用是傳導(dǎo)光，它是直徑為幾微米到一百微米之間的特制玻璃絲，且由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大。載有聲音、圖象及各種數(shù)字信號(hào)的激光傳播時(shí)，在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射，光纖具有容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。

13、在實(shí)際應(yīng)用中，光纖是可以彎曲的。所以，選項(xiàng)C正確。 答案　C 5.下列選項(xiàng)為光線(xiàn)由空氣進(jìn)入全反射玻璃棱鏡再由棱鏡射入空氣的光路圖。其中可以發(fā)生的是(　　) 解析　光垂直等腰直角三角形的某直角邊射入玻璃棱鏡時(shí)，在斜邊發(fā)生全反射，故A正確。 答案　A 6.一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，下圖中能正確描述其光路的是(　　) 解析　光從空氣進(jìn)入玻璃在分界面上會(huì)發(fā)生折射，且折射角小于入射角，故B、D錯(cuò)誤；光從玻璃進(jìn)入空氣折射角應(yīng)大于入射角，所以C錯(cuò)誤；若滿(mǎn)足入射角大于臨界角的情況，則會(huì)發(fā)生全反射，故A正確。 答案　A 7.潛水員在水深為h的地方向水面觀望

14、時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)天空及遠(yuǎn)處地面的景物均呈現(xiàn)在水面處的圓形區(qū)域內(nèi)，已知水的臨界角為θ，則所觀察到的圓形區(qū)域的半徑為(　　) A.htan θ B.hsin θ C.h/tan θ D.h/sin θ 解析　如圖所示，最遠(yuǎn)處的景物進(jìn)入眼睛的光線(xiàn)幾乎是緊貼水面，其入射角接近90°，折射角為θ。因此，人看到的景物呈現(xiàn)在人眼上方以O(shè)點(diǎn)為圓心、r為半徑的水面區(qū)域內(nèi)。由圖可知r＝htan θ。 答案　A 8.如圖1所示，一個(gè)透明玻璃球的折射率為，一束足夠強(qiáng)的細(xì)光束在過(guò)球心的平面內(nèi)，以45°入射角由真空射入玻璃球后，在玻璃球與真空的交界面處發(fā)生多次反射和折射，從各個(gè)方向觀察玻璃球，能看到從玻璃球

15、內(nèi)射出的光線(xiàn)的條數(shù)是(　　) 圖1 A.2 B.3 C.4 D.5 解析　sin C＝＝， C＝45°； n＝， θ＝30°。 光路圖如圖所示，所以共3條光線(xiàn)射出玻璃球。 答案　B 9.如圖2所示，ABCD是兩面平行的透明玻璃磚，AB面和CD面是玻璃和空氣的分界面，分別設(shè)為界面Ⅰ和界面Ⅱ。光線(xiàn)從界面Ⅰ射入玻璃磚，再?gòu)慕缑姊蛏涑?，回到空氣中，如果改變光到達(dá)界面Ⅰ時(shí)的入射角，則(　　) 圖2 A.只要入射角足夠大，光線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在界面Ⅰ上都不可能發(fā)生

16、全反射現(xiàn)象 D.不管入射角多大，光線(xiàn)在界面Ⅱ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 解析　在界面Ⅰ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，都不能發(fā)生全反射現(xiàn)象，則選項(xiàng)C正確；在界面Ⅱ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Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ進(jìn)入玻璃后再到達(dá)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(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項(xiàng)D正確。 答案　CD 10.如圖3所示，一個(gè)三棱鏡的截面為等腰直角△ABC，∠A為直角。此截面所在平面內(nèi)的光線(xiàn)沿平行于BC邊的方向射到AB邊，進(jìn)入棱鏡后直接射到AC邊上，并剛好能發(fā)生全反射。該棱鏡材料

17、的折射率為(　　) 圖3 A. B. C. D. 解析　根據(jù)折射率定義有，＝n，剛好在AC面上發(fā)生全反射，則sin β＝， 又i＝45°，α＋β＝90°，解得n＝。 答案　D 二、非選擇題 11.如圖4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P(pán)Q端面射出。 圖4 (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(shí)__________(填“能”、“不能”或“無(wú)法確定能否”)發(fā)生全反射。 解析　(1)因?yàn)橐患?xì)束單色光由MN端

18、面中點(diǎn)垂直射入， 所以到達(dá)弧面EF界面時(shí)入射角為45°，又因?yàn)榍『冒l(fā)生全反射， 所以45°為臨界角C， 由sin C＝可知， 該玻璃棒的折射率n＝＝。 (2)如圖所示若將入射光向N端平移， 第一次射到弧面EF上的入射角將增大， 即大于臨界角45°，所以能發(fā)生全反射。 答案　(1)　(2)能 12.一足夠大的水池內(nèi)盛有某種透明液體，液體的深度為H，在水池的底部放一點(diǎn)光源S，其中一條光線(xiàn)以30°入射角射到液體與空氣的界面上，它的反射光線(xiàn)與折射光線(xiàn)的夾角為105°，如圖5所示。求： 圖5 (1)液體的折射率； (2)液體表面亮斑的面積。 解析　(1)由題圖知入射角i＝30°， 折射角r＝45°，n＝＝。 (2)若發(fā)生全反射，入射角C應(yīng)滿(mǎn)足sin C＝， C＝45°， 亮斑半徑R＝Htan C＝H， 亮斑面積S＝πH2。 答案　(1)　(2)πH2 11