（浙江專用）2018-2019學年高中物理 第十三章 光 第2課時 全反射學案 新人教版選修3-4

第2課時　全反射 [研究選考·把握考情] 知識內(nèi)容 全反射 考試要求 加試b 教學要求 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.會計算全反射臨界角 知識點一　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)稱為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)。 (2)光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對的。 2.全反射 當光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，同時發(fā)生折射和反射，如果入射角逐漸增大，折射光離法線會越來越遠，而且越來越弱，反射光卻越來越強。當入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，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 當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，如果入射角等于或大于臨界角，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。 [要 點 精 講] 1.對光疏介質(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)進入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)時，折射角小于入射角。 (4)光疏和光密是從介質(zhì)的光學特性來說的，并不指它的密度大小。 2.全反射 (1)臨界角：折射角為90°時的入射角稱為全反射的臨界角，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，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為介質(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)的界面上會發(fā)生全反射，只有反射光線，沒有折射光線，故選項D正確。 答案　D 知識點二　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(如圖1)。全反射棱鏡比平面鏡的反射率高，幾乎可達100%。 圖1 [即 學 即 練] 空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖2所示。方框內(nèi)有兩個折射率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　四個選項產(chǎn)生光路效果如下圖： 由上圖可知B項正確。 答案　B 知識點三　光導(dǎo)纖維 [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，光由一端進入，在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射，從另一端射出，如圖3所示。 圖3 2.應(yīng)用：光纖通訊、醫(yī)學上的內(nèi)窺鏡。 [即 學 即 練] 如圖4所示是兩個城市間的光纜中的一條光導(dǎo)纖維，光纜長為L，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<n2 C.光從它的一端射入到從另一端射出所需要的時間等于 D.光從它的一端射入到從另一端射出所需要的時間等于 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A正確，B錯誤；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s＝t，聯(lián)立解得t＝，故選項C、D錯誤。 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Ⅰ和Ⅱ為兩種光介質(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對此光的折射率分別為n1和n2，則以下說法正確的有(　　) 圖5 A.若n1＜n2，此光線可能在界面Ⅱ上發(fā)生全反射 B.若n1＜n2，此光線一定在界面Ⅱ上發(fā)生全反射 C.若n1＞n2，此光線可能在界面Ⅰ上發(fā)生全反射 D.若n1＞n2，此光線一定在界面Ⅰ上發(fā)生全反射 解析　無論n1＞n2，還是n1＜n2，此光線若能射入介質(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錯誤；若n1＞n2，此光線在界面Ⅰ是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，有可能發(fā)生全反射，但不絕對，故C正確，D錯誤。 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(　　) 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6 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 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少，故D錯誤。 答案 C　 一、選擇題(在每小題給出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.下列說法正確的是(　　) A.因為水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介質(zhì) B.因為水的折射率小于酒精的折射率，所以水對酒精來說是光疏介質(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　因為水的折射率為1.33，酒精的折射率為1.36，所以水對酒精來說是光疏介質(zhì)；由v＝可知，光在光密介質(zhì)中的傳播速度較小。 答案　BD 2.當光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(　　) A.反射光線的強度隨入射角的增大而減小 B.折射光線的強度隨入射角的增大而減小 C.當入射角等于臨界角時，折射光線的強度等于零 D.當入射角等于零時，反射光線的強度等于零 解析　反射光的強度隨入射角的增大而增大，折射光的強度隨入射角的增大而減小，當入射角等于臨界角時，從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)中的光線恰好發(fā)生全反射，故折射光線的強度等于零。 答案　BC 3.以下哪些現(xiàn)象是由于光的全反射形成的(　　) A.在岸上能看見水中的魚 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.水中的氣泡看起來特別明亮 答案　CD 4.關(guān)于光纖的說法，正確的是(　　) A.光纖是由高級金屬制成的，所以它比普通電線容量大 B.光纖是非常細的特制玻璃絲，但導(dǎo)電性能特別好，所以它比普通電線衰減小 C.光纖是非常細的特制玻璃絲，由內(nèi)芯和外套兩層組成，光纖是利用全反射原理來實現(xiàn)光的傳導(dǎo)的 D.在實際應(yīng)用中，光纖必須呈筆直狀態(tài)，因為彎曲的光纖是不能傳導(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)字信號的激光傳播時，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、抗干擾性強等特點。在實際應(yīng)用中，光纖是可以彎曲的。所以，選項C正確。 答案　C 5.下列選項為光線由空氣進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，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　光從空氣進入玻璃在分界面上會發(fā)生折射，且折射角小于入射角，故B、D錯誤；光從玻璃進入空氣折射角應(yīng)大于入射角，所以C錯誤；若滿足入射角大于臨界角的情況，則會發(fā)生全反射，故A正確。 答案　A 7.潛水員在水深為h的地方向水面觀望時，發(fā)現(xiàn)整個天空及遠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，最遠處的景物進入眼睛的光線幾乎是緊貼水面，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，一個透明玻璃球的折射率為，一束足夠強的細光束在過球心的平面內(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，從各個方向觀察玻璃球，能看到從玻璃球內(nèi)射出的光線的條數(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2 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 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，都不能發(fā)生全反射現(xiàn)象，則選項C正確；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進入玻璃后再到達界面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正確。 答案　CD 10.如圖3所示，一個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)的光線沿平行于BC邊的方向射到AB邊，進入棱鏡后直接射到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4 (1)求該玻璃棒的折射率； (2)若將入射光向N端平移，當?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。 解析　(1)因為一細束單色光由MN端面中點垂直射入， 所以到達弧面EF界面時入射角為45°，又因為恰好發(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光源S，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