2019-2020學年高中物理 第13章 2 全反射學案 新人教版選修3-4

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1、2　全反射 [學習目標]　1.理解光的全反射，會利用全反射解釋有關現象.2.理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射并能畫出相應的光路圖．(重點)3.了解全反射棱鏡和光導纖維． 一、全反射 1．光密介質和光疏介質 光疏介質 光密介質 定義 折射率相對較小的介質 折射率相對較大的介質 傳播 速度 光在光密介質中的傳播速度比在光疏介質中的傳播速度小 折射 特點 光從光疏介質射入光密介質時，折射角小于入射角 光從光密介質射入光疏介質時，折射角大于入射角 2.全反射及發(fā)生條件 (1)全反射及臨界角的概念 ①全反射：光從光密介質射入光疏介質時，若入射角增大到

2、某一角度，折射光線就會消失，只剩下反射光線的現象． ②臨界角：剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90°時的入射角．用字母C表示． (2)全反射的條件 要發(fā)生全反射，必須同時具備兩個條件： ①光從光密介質射入光疏介質． ②入射角等于或大于臨界角． (3)臨界角與折射率的關系 光由介質射入空氣(或真空)時，sin C＝(公式)． 二、全反射的應用 1．全反射棱鏡：截面為等腰直角三角形的棱鏡，利用全反射改變光的方向． 2．光導纖維：由折射率較大的內芯和折射率較小的外套組成，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)密度大的介

3、質就是光密介質． (×) (2)兩種介質相比較，折射率大的介質是光密介質． (√) (3)光從密度大的介質射入密度小的介質時一定能發(fā)生全反射． (×) (4)全反射棱鏡和平面鏡都是根據全反射原理． (×) (5)光纖通信的主要優(yōu)點是容量大． (√) 2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是(　　) A．從玻璃射入水晶　　 B．從水射入二硫化碳 C．從玻璃射入水中 D．從水晶射入水 E．從玻璃射入二硫化碳 ACD　[發(fā)生全反射的條件之一是光從光密介質射入光疏介質，光密介質折射率較大，故

4、A、C、D正確．] 3．華裔科學家高錕被譽為“光纖通訊之父”．光纖通訊中信號傳播的主要載體是光導纖維，它的結構如圖所示，其內芯和外套材料不同，光在內芯中傳播．內芯的折射率比外套的________，光傳播時在內芯與________的界面上發(fā)生全反射． [解析]　光纖內芯比外套折射率大，在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射． [答案]　大　外套 全反射 1．對光疏介質和光密介質的理解 光疏介質和光密介質是相對而言的，并沒有絕對的意義．例如：水晶(n＝1.55)對玻璃(n＝1.5)是光密介質，而對金剛石(n＝2.42)來說，就是光疏介質．同一種介質到底是光疏介質還是光密介質，不

5、是絕對的． 光疏和光密是從介質的光學特性來說的，并不是它的密度大?。?，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介質． 由v＝可知：光在光密介質中傳播速度比在光疏介質中要?。? 光在兩種介質中傳播時，由折射定律可知： n1sin θ1＝n2sin θ2，n1v1＝n2v2， 由此可知：當光從光密介質傳播到光疏介質時，折射角大于入射角；當光從光疏介質傳播到光密介質時，折射角小于入射角．光在光疏介質中傳播的速度大于光在光密介質中傳播的速度． 2．對全反射的理解 (1)全反射是光的折射的特殊現象，全反射現象還可以從能量變化角度加以理解．當光從光密介質射入光疏介質，在入射角逐漸增大的過

6、程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量已經減弱為零，發(fā)生了全反射． (2)全反射遵循的規(guī)律：光從光密介質進入光疏介質發(fā)生全反射時，仍然遵守反射定律，有關計算仍依據反射定律進行． 【例1】　為了測定某種材料制成的長方體的折射率，用一束光線從AB面以60°入射角射入長方體時光線剛好不能從BC面射出，如圖所示，該材料的折射率是多少？ [解析]　如題圖所示，根據折射定律： n＝ ① 由題意可知sin C＝ ② 而C＝90°－r ③ 由②③得cos r＝ ④ 而cos r＝， 代入④得＝ ⑤ 聯立①和⑤解得n＝. [答案]　

7、解答全反射類問題的技巧 (1)光必須從光密介質射入光疏介質． (2)入射角大于或等于臨界角． (3)利用好光路圖中的臨界光線，準確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關鍵，且在作光路圖時盡量與實際相符，這樣更有利于問題的分析． 1．下列選項所示光線由空氣透過半圓形玻璃磚，再射入空氣的光路圖中，正確的是(玻璃的折射率為1.5)(　　) [解析]　 [答案]　BDE 全反射的應用 1．對全反射棱鏡光學特性的兩點說明 (1)當光垂直于它的一個界面射入后，都會在其內部發(fā)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高． (2)反射時失真小，兩種反射情況如圖甲、乙

8、所示． 2．光導纖維的結構與應用 實際用的光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，由內芯和外套兩層組成．內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射，使反射光的能量最強，實現遠距離傳送．因此，光信號能攜帶著聲音、圖像以及各種數字信號沿著光纖傳輸到很遠的地方，實現光纖通信，其主要優(yōu)點是容量大，衰減小，抗干擾性強等． 醫(yī)學上用光導纖維制成內窺鏡，用來檢查人體的胃、腸等器官內部，如圖所示． 【例2】　如圖所示，一根長為L的直光導纖維，它的折射率為n.光從它的一個端面射入，從另一端面射出所需的最長時間為多少？(設光在真空中的光速為c) [解析

9、]　該題考查光導纖維的全反射及光速問題．由題中的已知條件可知，要使光線從光導纖維的一端射入，然后從它的另一端全部射出，必須使光線在光導纖維中發(fā)生全反射現象．要使光線在光導纖維中經歷的時間最長，就必須使光線的路徑最長，即光對光導纖維的入射角最小，光導纖維的臨界角為C＝arcsin.光在光導纖維中傳播的路程為d＝＝nL，光在光導纖維中傳播的速度為v＝，所需的最長時間為tmax＝＝. [答案]　 對光導纖維折射率的要求 設光導纖維的折射率為n，當入射光線的入射角為θ1時，進入端面的折射光線傳到側面時恰好發(fā)生全發(fā)射，如圖所示，則有：sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：

10、 sin θ1＝. 由圖可知：(1)當θ1增大時，θ2增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角θ減?。?2)當θ1＝90°時，若θ＝C，則所有進入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即有n＝，以上是光從纖維射向真空時得到的折射率．(3)由于光導纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光導纖維折射率要比大些． 2．空氣中兩條光線a和b從方框左側入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖所示，方框內有兩個折射率為n＝1.5的全反射玻璃棱鏡．在框內畫出兩個棱鏡的放置方式并作出光路圖． [答案]　 課 堂 小 結 知 識 脈 絡 1.光疏介質、光密介質、光的全反射現象． 2．產生全反射的條件，解釋全反射現象，計算臨界角． 3．全反射棱鏡及其應用，光導纖維的工作原理. - 6 -