2018-2019學(xué)年高中物理 13.2 全反射課件 新人教版選修3-4.ppt

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1、2 全 反 射,一、光疏介質(zhì)和光密介質(zhì),較小,較大,小,小于,大于,二、全反射及其條件,1.全反射及臨界角的概念: (1)全反射:當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，同時發(fā) 生折射和反射。當(dāng)入射角增大到某一角度，使折射角 達(dá)到_____時，折射光_________，只剩下反射光的現(xiàn) 象。 (2)臨界角:剛發(fā)生全反射(即折射角等于_____)時的 _______，用字母C表示。,90,完全消失,90,入射角,2.全反射的條件: (1)光由_____介質(zhì)射入_____介質(zhì)。 (2)入射角_____或_____臨界角。,光密,光疏,大于,等于,3.臨界角與折射率的關(guān)系: (1)定量關(guān)系:光由某種介質(zhì)射入空

2、氣(或真空)時，sinC=___。 (2)定性關(guān)系:介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨 界角_____，越容易發(fā)生全反射。,越小,三、全反射的應(yīng)用 1.全反射棱鏡: (1)形狀:截面為_________三角形的棱鏡。 (2)光學(xué)特性。 ①當(dāng)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_____。,等腰直角,全反射,90,②當(dāng)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______。 2.光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用: (1)原理:利用了光的_______。 (2)構(gòu)造:光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，由內(nèi)芯

3、和 外套兩層組成。內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時 在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生_______。,全反射,180,全反射,全反射,【思考辨析】 (1)入射角大于臨界角就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。 ( ) (2)光密介質(zhì)是指密度大的介質(zhì)。 ( ) (3)一種介質(zhì)不是光疏介質(zhì)就是光密介質(zhì)。 ( ) (4)光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)后速度減小。 ( ),(5)光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時才能發(fā)生全反 射。 ( ) (6)臨界角與折射率成反比。 ( ),提示:(1) 。發(fā)生全反射的兩個條件缺一不可，光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。 (2)。光密介質(zhì)是指折射率大的介質(zhì)。 (3)。一種介質(zhì)究竟是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)是相對其

4、他介質(zhì)而言的。,(4)√。光密介質(zhì)的折射率大，光在其中的傳播速度小。 (5)。光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時才能發(fā)生全反射。 (6)。臨界角隨折射率的增大而減小，但不是反比關(guān)系。,知識點(diǎn)一 全反射 探究導(dǎo)入: 光照到兩種介質(zhì)界面處，發(fā)生了如圖所示的現(xiàn)象。,(1)上面的介質(zhì)與下面的介質(zhì)哪個折射率大？ (2)全反射發(fā)生的條件是什么？ 提示:(1)下面的介質(zhì)折射率大。 (2)一是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；二是入射角大于等于臨界角。,【歸納總結(jié)】 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)的比較。,(2)相對性:光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對的。任何兩種透明介質(zhì)都可以通過比較光在其中傳播速度的大

5、小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質(zhì)或光密介質(zhì)。 (3)光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的，并不是它的密度大小。例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介質(zhì)。,2.全反射現(xiàn)象: (1)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。,(2)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，由于不存在折射光線，光的折射定律不再適用。,(3)從能量角度來理解全反射:當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，隨著入射角增大，折射角也增大。同時折射光線強(qiáng)度減弱，能量減小，反射光線強(qiáng)度增強(qiáng)，能量增加，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時，折射光線強(qiáng)度減弱到零，反射光的能

6、量等于入射光的能量。,3.不同色光的臨界角:不同顏色的光由同一介質(zhì)射向空氣或真空時，頻率越高的光的臨界角越小，越易發(fā)生全反射。,【典題通關(guān)】 【典例】(2018景德鎮(zhèn)高二檢測)一束單色光由左側(cè) 射入盛有清水的薄壁圓柱形玻璃杯，如圖所示為過軸 線的截面圖，調(diào)整入射角α，使光線恰好在水和空氣 的界面上發(fā)生全反射，已知水的折射率為 ，求 sinα的值。,【解題探究】 (1)考慮玻璃杯對光線的折射作用嗎？ 提示:不考慮，因?yàn)椴ＡП鼙　?(2)光線恰好在水和空氣界面發(fā)生全反射，說明了什么？ 提示:光線從水射向空氣時的入射角恰好為臨界角C。,【正確解答】當(dāng)光線在水面發(fā)生全反射時， 有sinC=

7、① 當(dāng)光線從左側(cè)射入時， 由折射定律 =n ② 聯(lián)立①②式，代入數(shù)據(jù)可得sinα= 答案:,【過關(guān)訓(xùn)練】 1.一束細(xì)光束由真空沿著徑向射入一塊半圓柱形透明體，如圖甲所示，對其射出后的折射光線的強(qiáng)度進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)折射光線的強(qiáng)度隨著θ的變化而變化，如圖乙的圖線所示，則下列說法正確的是 ( ),A.透明體的臨界角為30 B.透明體的臨界角為60 C.透明體的折射率為 D.透明體的折射率為,【解析】選B。由題圖乙的圖線可知，當(dāng)θ小于等于 30時，入射角大于等于60，折射光線的強(qiáng)度為 零，光線產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，所以此透明體的臨界角為 60，故選項(xiàng)A錯誤，選項(xiàng)B正確；由臨界角公式 sinC= ，

8、解得n= ，故選項(xiàng)C、D錯誤。,2.如圖所示，A、B、C為等腰棱鏡，a、b兩束不同頻率的單色光垂直AB邊射入棱鏡，兩束光在AB面上的入射點(diǎn)到OC的距離相等，兩束光折射后相交于圖中的P點(diǎn)，以下判斷正確的是 ( ),A.在真空中，a光光速大于b光光速 B.在真空中，a光波長大于b光波長 C.a光通過棱鏡的時間大于b光通過棱鏡的時間 D.a、b兩束光從同一介質(zhì)射入真空過程中，a光發(fā)生全反射的臨界角大于b光發(fā)生全反射的臨界角,【解析】選C。因?yàn)閮墒庹凵浜笙嘟挥趫D中的P點(diǎn)， 根據(jù)折射定律可知a光的折射率na>nb，a光的頻率 νa>νb，光在真空中的傳播速度相等，A錯誤；由 λ= 得B錯誤；由v= 和

9、t= 得C正確；根據(jù) sin C= 得D錯誤。,3.如圖所示，一束光線從空氣射入某介質(zhì)，入射光線與反射光線夾角為90，折射光線與入射光線延長線間夾角θ為15，求:,(1)該介質(zhì)的折射率。 (2)光在該介質(zhì)中傳播的速度。 (3)當(dāng)光從介質(zhì)射入空氣時的臨界角。,【解析】(1)由反射定律可知α=β，由于α+β= 90，故入射角α=45；由圖可知r+θ=α=45， 由于θ=15，故折射角r=30，所以該介質(zhì)的折射 率n=,(2)由折射率與速度的關(guān)系n= 得v= m/s=2.12108 m/s (3)光從介質(zhì)射入空氣時臨界角的正弦值 sin C= 故臨界角C=45 答案:(1) (2)2.12

10、108 m/s (3)45,【補(bǔ)償訓(xùn)練】 1.如圖所示，一束復(fù)色可見光入射到置于空氣中的平行玻璃磚MNQP 上，穿過玻璃后從下表面射出a、b兩束單色光，則下列說法正確的是 ( ),A.玻璃對a光的折射率較大 B.b光在玻璃磚中速度較大 C.a、b兩束單色光互相平行 D.若增大MN面上的入射角， a光可能在PQ面上發(fā)生全反射,【解析】選C。因?yàn)閎光的偏折程度大，則b光的折射率 較大，根據(jù)v= 可得b光在玻璃中的傳播速度較小， A、B錯誤；由于光線射到玻璃磚下表面時的入射角等 于上表面的折射角，根據(jù)光路的可逆性可知，光線射 出玻璃磚時的折射角等于上表面的入射角，根據(jù)幾何 知識可知，出射光線與入射光

11、線平行，所以a、b兩束 單色光都與入射光線平行，則a、b兩束單色光必定,平行，C正確；光線通過玻璃磚發(fā)生了兩次折射，第二次的入射角等于第一次的折射角，根據(jù)光路可逆性原理可以知道，a、b光不可能在下表面發(fā)生全反射，一定能從下表面射出玻璃磚，D錯誤。,2.如圖所示，直角三角形ABC為一三棱鏡的截面，∠A = 30。一束單色光從空氣射向BC上的E點(diǎn)，并偏折到AB上的F點(diǎn)，光線EF平行于底邊AC。已知入射方向與BC的夾角θ = 30。試通過計(jì)算判斷光在F點(diǎn)能否發(fā)生全反射。,【解析】光線在BC界面的入射角θ1 = 60，折射角 θ2 = 30。 根據(jù)折射定律，得 n= 由幾何關(guān)系知， 光線在AB界

12、面的入射角為θ3=60，因此sinθ3=,而棱鏡對空氣的臨界角C的正弦值sinC= 則由sinθ3> sinC知，在AB界面的入射角θ3 > C， 所以光線在F點(diǎn)將發(fā)生全反射。 答案:見解析,知識點(diǎn)二 光導(dǎo)纖維 探究導(dǎo)入: 如圖所示是光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)芯和外套由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高。請問:在制作光導(dǎo)纖維時，選用的材料為什么要求內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高？,提示:光只有滿足從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，才會發(fā)生全反射。而光導(dǎo)纖維要傳播加載了信息的光，需要所有光在內(nèi)芯中經(jīng)過若干次反射后，全部到達(dá)目的地，所以需要發(fā)生全反射，故內(nèi)芯對光的折射

13、率必須要比外套對光的折射率高。,【歸納總結(jié)】 1.構(gòu)造及傳播原理:,(1)構(gòu)造:光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1～100 μm，如圖所示，它是由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率。 (2)傳播原理:光由一端進(jìn)入，在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射，從另一端射出，光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳播光，光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)而變?yōu)槁曇簟D像。,2.光導(dǎo)纖維的折射率:設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng) 入射角為θ1時，進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時恰 好發(fā)生全反射，如圖所示，則有:sin C= C+θ2=90，由以上各式可得:sin θ1=,由圖可知:當(dāng)θ1增大時，θ2增大，而從纖維射向空氣 中光

14、線的入射角θ減小，當(dāng)θ1=90時，若θ=C，則 所有進(jìn)入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即解得n= 以上是光從纖維射向真空時得到的折射率，由于光導(dǎo) 纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因 此折射率要比 大些。,【典題通關(guān)】 【典例】(2018南寧高二檢測)如圖是一段長為L的直線段光導(dǎo)纖維內(nèi)芯，一單色光從左端面射入光纖，已知光纖對該單色光的折射率為n，光在真空中傳播速度大小為c。,(1)求該單色光在光纖中傳播的最短時間。 (2)已知光纖對該單色光的折射率n= ，當(dāng)該單色光以入射角i=45從左端面射入，求此單色光從左端面?zhèn)鞑サ接叶嗣嫠玫臅r間。,【正確解答】(1)當(dāng)光線垂直于左端面射入時，光傳

15、 播的路徑最短x=L ① 由n= 得光在光纖中傳播速度大小為v= ② 光在光纖中傳播的最短時間為t= ③ 聯(lián)立解得t= ④,(2)由于n= ，得r=30 ⑤ 該單色光在光纖中的路程s= ⑥ 傳播時間t= ⑦ 由②⑥⑦得，t= 答案:(1) (2),【過關(guān)訓(xùn)練】 1.光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播。以下關(guān)于光導(dǎo)纖維的說法正確的是 ( ),A.內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射 B.內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射 C.內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生折射 D

16、.內(nèi)芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護(hù)作用,【解析】選A。光導(dǎo)纖維內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射，故選項(xiàng)A對，選項(xiàng)B、C、D錯誤。,2.光纖通信是一種現(xiàn)代化的通信手段，它可以為客戶提供大容量、高速度、高質(zhì)量的通信服務(wù)，為了研究問題方便，我們將光導(dǎo)纖維簡化為一根長直玻璃管，如圖所示。設(shè)此玻璃管長為L，折射率為n。已知從玻璃管左端面射入玻璃內(nèi)的光線在玻璃管的側(cè)面上恰好能發(fā)生全反射，最后從玻璃管的右端面射出。設(shè)光在真空中的傳播速度為c，則光通過此段玻璃管所需的時間為 ( ),【解析】選A。用C表示臨界角，則有sinC= ，則光 在玻璃管中的傳播速度為

17、v= 。光在沿玻璃管軸線的 方向上做勻速傳播。所用時間為t= 故A正確。,3.如圖所示，AB為光導(dǎo)纖維，A、B之間距離為s，使一光脈沖信號從光導(dǎo)纖維中間入射，射入后在光導(dǎo)纖維與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射，由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時間為t，求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率n。,【解析】設(shè)介質(zhì)的折射率為n，則有sinα=sinC= ① n= ② t= ③ 由以上三式解得t= 所以n= 。 答案:,【拓展例題】考查內(nèi)容:全反射中光線范圍的確定 【典例】如圖所示，在桌面上有一倒立的玻璃圓錐，其頂點(diǎn)恰好與桌面接觸，圓錐的軸(圖中虛線)與桌面垂直，過軸線的截面為等邊三角形。有一半徑為r的圓柱形平行光束垂直入射到圓錐的底面上，光束的中心軸與圓錐的軸重合。已知玻璃的折射率為1.5，則光束在桌面上形成的光斑半徑為 ( ),A.r B.1.5r C.2r D.2.5r,【正確解答】選C。由sin C= 即C<60，故光線首先發(fā)生全反射，作出光路圖 如圖所示，由圖中幾何關(guān)系可得rtan 60= (R+r)tan 30，故R=2r，所以選項(xiàng)C正確。,