滬科物理選修3-4《全反射與光導纖維》

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歡迎進入物理課堂 4 6全反射與光導纖維4 7激光 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 4 6 4 7 課前自主學案 課標定位 課標定位 學習目標 1 知道光疏介質(zhì) 光密介質(zhì) 全反射 臨界角的概念 2 能判定是否發(fā)生全反射 并能分析解決有關(guān)問題 3 了解全反射棱鏡和光導纖維 4 認識激光和自然光的區(qū)別 5 了解激光的特點和應用 重點難點 全反射 臨界角的概念和全反射的條件是重點 應用全反射分析解題是難點 課前自主學案 一 研究光的全反射現(xiàn)象1 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的概念兩種不同的介質(zhì) 折射率較小的介質(zhì)叫做 介質(zhì) 折射率較大的介質(zhì)叫做 介質(zhì) 2 全反射現(xiàn)象 1 全反射及臨界角的概念 全反射 光從 介質(zhì)射入 介質(zhì)時 當入射角增大到超過某一角度時 折射光線完全消失 全部光線都被反射回光密介質(zhì)的現(xiàn)象 光疏 光密 光密 光疏 臨界角 剛好發(fā)生全反射 即 等于90 時的 用字母C表示 2 全反射的條件 光從 介質(zhì)射入 介質(zhì) 入射角 臨界角 3 臨界角與折射率的關(guān)系 折射角 入射角 光密 光疏 大于等于 小 容易 越大 越小 容易 二 全反射現(xiàn)象的應用1 解釋全反射現(xiàn)象 1 水或玻璃中的氣泡看起來特別亮 是由于光射到氣泡上發(fā)生了 2 在沙漠里 接近地面的熱空氣的折射率比上層空氣的折射率 從遠處物體射向地面的光線的入射角 時發(fā)生 人們就會看到遠處物體的倒影 全反射 小 大于臨界角 全反射 2 全反射棱鏡 1 形狀 截面為 三角形的棱鏡 2 光學特性 當光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時 光在截面的斜邊上發(fā)生 光射出棱鏡時 傳播方向改變了 當光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時 在兩個直角邊上各發(fā)生一次 使光的傳播方向改變了 全反射棱鏡的反射性能比鍍銀的平面鏡 等腰直角 全反射 90 全反射 180 更好 三 光纖及其應用1 光纖的構(gòu)造光導纖維 簡稱光纖 是非常細的特制玻璃絲 直徑從幾微米到幾十微米之間 由內(nèi)芯和外層透明介質(zhì)兩層組成 內(nèi)芯的折射率比外套的 光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生 2 光纖的原理 利用了 原理 3 光纖在醫(yī)學上的應用醫(yī)學上把光纖束制成內(nèi)窺鏡 檢查人體胃 腸 氣管等器官的內(nèi)部 利用光纖 還可以把激光導入人體內(nèi)做腫瘤切除手術(shù) 大 全反射 全反射 4 光纖通信光纖通信先將 信號轉(zhuǎn)換為 信號 利用光纖把 信號輸出 到接收端再將光信號還原為聲音信號 光纖通信的主要優(yōu)點 大 能量損耗小 強 保密性好等 四 激光1 激光的特性 1 單色性好 相干性好 所謂單色性好就是 單一 激光是顏色最純的單色光 2 方向性好 或者說 好 只向一定的方向發(fā)光 聲音 光 光 容量 抗干擾能力 頻率 平行度 3 亮度高可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量 一支僅為1mW的氦 氖激光器的亮度要比地球上看到的太陽光亮約一百倍 而一臺功率較大的紅寶石巨脈沖激光器的亮度比太陽光要亮上百萬倍 可以說 激光是現(xiàn)代最亮的光源 2 激光的應用 1 光纖通信 2 激光測距 3 激光寫 讀由于激光的平行度好 激光可以會聚到一個很小的點上 利用激光可以在光盤上刻錄密度很高的信息 也可以利用激光從VCD機 CD唱機或計算機的光盤上讀出記錄的信息 經(jīng)過處理后還原成聲音或圖像 4 可用激光束來切割 焊接以及在很硬的材料上打孔 醫(yī)學上可以用激光做 切開皮膚 切除腫瘤 光刀 5 激光加工將激光器發(fā)出的激光經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后 在待加工的工件上形成密度很高 能量很大 直徑很小的光斑 使受照部位迅速熔化或汽化 以完成規(guī)定的加工 包括切割 焊接 打孔 劃片 整形 熱處理和表面處理等 3 全息照相 1 普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強弱信息 全息照相技術(shù)還可以記錄光波的 信息 2 全息照相的拍攝利用了光的 這要求參考光和物光具有很高的相干性 激光符合這個要求 相位 干涉原理 核心要點突破 一 對全反射的理解1 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) 1 光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的相對性 兩種介質(zhì)在不同的比較中結(jié)果可能不同 如水 水晶和金剛石 水晶對水來說是光密介質(zhì) 但對金剛石來說是光疏介質(zhì) 2 全反射現(xiàn)象中的能量分配入射光 反射光 折射光的方向變化及能量分配關(guān)系 1 折射角隨著入射角的增大而增大 2 折射角增大的同時 折射光線的強度減弱 即折射光線的能量減小 亮度減弱 而反射光線的強度增強 能量增大 亮度增加 3 當入射角增大到某一角度 即臨界角 時 折射光線能量減弱到零 即折射角為90 入射光的能量全部反射回來 這就是全反射現(xiàn)象 圖4 6 1 二 全反射的應用1 光導纖維 1 作用 傳遞聲音 圖像及各種數(shù)字信號 2 原理 光的全反射 3 構(gòu)造特點 雙層 外層材料的折射率比里層材料的折射率小 4 優(yōu)點 容量大 衰減小 抗干擾能力強 5 實際應用 光纖通信 醫(yī)用胃鏡等 2 全反射棱鏡 橫截面成等腰直角三角形的三棱鏡 在玻璃內(nèi)部 光射向玻璃與空氣界面時 入射角大于臨界角 發(fā)生全反射 與平面鏡相比 它的反射率高 幾乎可達100 由于反射面不涂敷任何反光物質(zhì) 所以反射失真小 選擇適當?shù)娜肷潼c 可以使入射光線經(jīng)過全反射棱鏡的作用在射出后偏轉(zhuǎn)90 或180 如圖4 6 2甲 乙所示 圖4 6 2 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 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4 6 3所示 方框內(nèi)有兩個折射率n 1 5的玻璃全反射棱鏡 下面給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖 其中能產(chǎn)生該效果的是 圖4 6 3 圖4 6 4 解析 選B 四個選項產(chǎn)生光路效果如圖所示 由圖可知B項正確 四 應用全反射解釋自然現(xiàn)象1 對 海市蜃樓 的解釋由于空中大氣的折射和全反射 會在空中出現(xiàn) 海市蜃樓 在海面平靜的日子 站在海濱 有時可以看到遠處的空中出現(xiàn)了高樓聳立 街道棋布 山巒重疊等景象 這種景象的出現(xiàn)是有原因的 當大氣層比較平靜時 空氣的密度隨溫度的升高而減小 對光的折射率也隨之減小 海面上空的空氣溫度比空中低 空氣的折射率下層比上層大 我們可以粗略地把空中的大氣分成許多水平的空氣層 如圖4 6 5所示 下層的折射率較大 圖4 6 5 遠處的景物發(fā)出的光線射向空中時 不斷被折射 射向折射率較低的上一層的入射角越來越大 當光線的入射角大到臨界角時 就會發(fā)生全反射現(xiàn)象 光線就會從高空的空氣層中通過空氣的折射逐漸返回折射率較高的下一層 在地面附近的觀察者就可以觀察到由空中射來的光線形成的虛像 這就是海市蜃樓的景象 如圖4 6 6所示 圖4 6 6 2 對沙漠上 柏油路上的蜃景的解釋在沙漠里也會看到蜃景 太陽照到沙地上 接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小 折射率也小 從遠處物體射向地面的光線 進入折射率小的熱空氣層時被折射 入射角逐漸增大 也可能發(fā)生全反射 人們逆著反射光線看去 就會看到遠處物體的倒景 圖4 6 7 仿佛是從水面反射出來的一樣 沙漠里的行人常被這種景象所迷惑 以為前方有水源而奔向前去 但總是可望而不可及 沙漠里的蜃景圖4 6 7 在炎熱夏天的柏油馬路上 有時也能看到上述現(xiàn)象 貼近熱路面附近的空氣層同熱沙面附近的空氣層一樣 比上層空氣的折射率小 從遠處物體射向路面的光線 也可能發(fā)生全反射 從遠處看去 路面顯得格外明亮光滑 就像用水淋過一樣 3 水或玻璃中的氣泡為何特別明亮由圖4 6 8可知 也是光線在氣泡的表面發(fā)生全反射的結(jié)果 圖4 6 8 課堂互動講練 已知介質(zhì)對某單色光的臨界角為 則 A 該介質(zhì)對此單色光的折射率等于1 sin B 此單色光在該介質(zhì)中的傳播速度等于光在真空中傳播速度的sin 倍C 此單色光在該介質(zhì)中的頻率是在真空中頻率的sin 倍D 此單色光在該介質(zhì)中的波長是在真空中波長的sin 倍 答案 ABD 變式訓練1有三種均勻透明介質(zhì)A B C 已知介質(zhì)A對介質(zhì)B來說是光疏介質(zhì) 介質(zhì)B對介質(zhì)C來說是光密介質(zhì) 介質(zhì)C對介質(zhì)A來說是光疏介質(zhì) 同一束單色光在三種介質(zhì)中的傳播速度分別為vA vB vC 三種介質(zhì)對同一單色光的折射率分別為nA nB nC 同一束光由三種介質(zhì)射入真空時的臨界角分別為CA CB CC 1 比較nA nB nC的大小關(guān)系 2 比較vA vB vC的大小關(guān)系 3 比較CA CB CC的大小關(guān)系 答案 1 nCvA vB 3 CC CA CB 圖4 6 9 自主解答 如圖4 6 10所示 過O點作與MN成45 角的半徑 沿該半徑方向入射的光線AO 剛好與圓柱面垂直 不發(fā)生折射 沿直線射到O點 它與過O點的法線夾角剛好等于臨界角45 故AO光線是剛好能發(fā)生全反射的臨界光線 圖4 6 10 方法總結(jié) 從上題中看到解決全反射問題的關(guān)鍵 1 準確熟練地作好光路圖 2 抓住特殊光線的分析 如圖中的光線A C 求光線照射的范圍時 關(guān)鍵是如何找出邊界光線 如果發(fā)生全反射 剛能發(fā)生全反射時的臨界光線就是一個邊界光線 而另一光線要通過分析找出 變式訓練2 2010年高考山東卷 如圖4 6 11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形狀 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 6 11 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 如圖所示 單色光照射到EF弧面上時剛好發(fā)生全反射 由全反射的條件得C 45 下列說法正確的是 A 激光可用于測距B 激光能量十分集中 只可用于加工金屬材料C 外科研制的 激光刀 可以有效地減少細菌的感染D 激光可用于全息照相 有獨特的特點 精講精析 激光平行度好 即使在傳播了很遠的距離之后 它仍保持一定的強度 此特點可用于激光測距 A正確 激光的亮度高 能量十分集中 可用于金屬加工 激光醫(yī)療 激光美容 激光武器等 B錯誤 激光具有很高的相干性 可用于全息照相 由于它記錄了光的相位信息 所以看起來跟真的一樣 立體感較強 D正確 由于激光亮度高 能量大 在動手術(shù)的同時 也能殺滅細菌 所以C正確 答案 ACD 方法總結(jié) 激光的主要特點有三個 1 平行性好 2 相干性好 單色性好 3 亮度高 解題時要從題目提供的信息識別與激光的哪個特點對應 然后再進行判斷 變式訓練3在演示雙縫干涉的實驗時 常用激光做光源 這主要是應用激光的什么特性 A 亮度高B 平行性好C 單色性好D 波動性好解析 選C 頻率相同的兩束光相遇才能發(fā)生干涉 激光的單色性好 頻率單一 通過雙縫時能夠得到兩束相干光 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全