1、第3节光的全反射1.光疏介质和光密介质是相对而言的，两种介质相比较，折射率大的为光密介质，折射率小的为光疏介质。2要发生全反射，必须同时满足两个条件：(1)光由光密介质射入光疏介质。(2)入射角大于或等于临界角。3光由光密介质射入光疏介质，折射角等于90时的入射角即为临界角，对于光由介质射入空气(或真空)的情况，sin C。4光导纤维由内芯和外套两层组成，光纤传输利用的是光的全反射原理，其内芯折射率一定比外套折射率大。全反射现象及其条件自读教材抓基础1光疏介质和光密介质名称项目光疏介质光密介质定义折射率较小的介质折射率较大的介质折射特点(1)光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角(2)光
2、从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角2对全反射的理解(1)全反射：光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象。(2)临界角：光从某种介质射向真空或空气时使折射角度变为90时的入射角，称为这种介质的临界角。(3)发生全反射的条件：光从光密介质射入光疏介质；入射角大于或等于临界角。(4)临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C(公式)。跟随名师解疑难1光疏介质和光密介质的理解不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫做光密介质。(1)对光路的影响：根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质(例如由空气射入水)时，折射角小于入
3、射角；光由光密介质射入光疏介质(例如由水射入空气)时，折射角大于入射角。(2)光疏介质和光密介质的比较：光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大(3)相对性：光疏介质、光密介质是相对的。任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判定谁是光疏介质或光密介质 。2对全反射的理解(1)全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用。(2)从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大。同时折射光线强度减弱，即折射光线能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角
4、达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。(3)临界角不同介质的折射率不同，发生全反射的临界角也不同，介质的折射率越大，临界角越小。不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射。学后自检(小试身手)一束光线从折射率为1.5的玻璃内射向空气，在界面上的入射角为45。如图所示的四个光路图中，正确的是()解析：选Asin Csin 45，所以Csin 30，故不能发生全反射。答案：(1)(2)不能7一足够深的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为H，在水池的底部中央放一点光源，其中一条光线以30入射角射到液体与空气的界面上，它的反射光线与折射
5、光线的夹角为105，如图所示。求：(1)这种液体的折射率；(2)液体表面亮斑的面积。解析：(1)由于反射光线与折射光线的夹角为105；入射角i30，则折射角r45，n。(2)设亮斑的半径为R，sin C，C45。所以亮斑的半径RH，光斑面积SR2H2。答案：(1)(2)H2小专题研究(五)测定水的折射率的四种方法(对应学生用书P58)1成像法原理：利用水面的反射成像和水面的折射成像。方法：如图所示，在一盛满水的烧杯中，紧挨杯口竖直插一直尺，在直尺的对面观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面部分的像，若从点P看到直尺在水下最低点的刻度B的像B(折射成像)恰好跟直尺在水面上刻度A的像A(反
6、射成像)重合，读出AC、BC的长，量出烧杯内径d，即可求出水的折射率：n 2插针法原理：利用光的折射定律。方法：如图所示，取一方木板，在板上画出互相垂直的两条线AB、MN，从它们的交点O处画直线OP(使PON45)，在直线OP上P、Q两点竖直插两枚大头针。把木板竖直插入水中，使AB与水面相平，MN与水面垂直。在水面上观察，调整视线使P的像被Q的像挡住，再在木板S、T处各插一枚大针，使S挡住Q、P的像，T挡住S及Q、P的像。从水中取出木板，画出直线ST，量出图中的角i、r，则水的折射率nsin i/sin r。3视深法原理：利用视深公式hh/n。方法：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一
7、根针，如图所示。调节针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面距离即为杯中水的视深h，再测出水的实际深度h，则水的折射率nh/h。4全反射法原理：利用全反射现象。方法：在一盛满水的大玻璃缸下面放一发光电珠，如图所示。在水面上观察，看到一圆的发光面，量出发光面直径D及水深h，则水的折射率n。例证如图所示，在水面上放置一个足够大的遮光板，板上有一个半径为r的圆孔，圆心的正上方h处放一个点光源S，在水面下深H处的底部形成半径为R的圆形光亮区域(图中未画出)。测得r8 cm，h6 cm，H24 cm，R26 cm，求水的折射率。解析根据光路图，可知sin 10.8，sin 20.6由
8、折射定律得：n得n。答案1学校开展研究性学习，某研究性学习小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器，如图所示。在一个圆形木盘上过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF，在半径OA上垂直圆盘面插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2的位置不变，每次测量时，让圆盘的BFC部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2。同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值。这样只要根据P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值。则：(1)若AOF30，OP3与OC的夹角
9、为30，则P3处所对应的折射率的值为_。(2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率值大？_。(3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率的值应为_。解析：(1)n。(2)P4对应的入射角大，所以折射率大。(3)当在K位置时，入射角与折射角相等，所以折射率等于1。答案：(1)(2)P4(3)12一个圆柱形筒，直径12 cm，高16 cm，人眼在筒侧上方某处观察，所见筒侧的深度为9 cm。当筒中装满液体时，则人眼又恰能看到筒侧的最低点。求：(1)此液体的折射率。(2)光在此液体中的传播速度。解析：先画出一圆柱形筒，筒高为H16 cm，直径d12 cm。人眼在A处，筒侧底部“最低点”为B，
10、筒内无液体时，人眼能见深度h9 cm。筒内盛满液体时，人眼看到B点。根据光的折射画出光路如图所示。(1)sin isin r此液体的折射率n(2)光在此液体中的传播速度v2.25108 m/s答案：(1)(2)2.25108 m/s阶段质量检测一、选择题(共8小题，每小题6分，共48分。第15小题只有一个选项正确，第68小题有多个选项正确，全选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的不得分)1某广场在夜间打开了音乐喷泉，在喷水池中同一深度排列着四个不同颜色的射灯。如果从水面上方垂直俯视各灯，感觉最浅的是()A红灯B黄灯C绿灯 D紫灯解析：选D当垂直俯视时，视深公式为h，H为实际深度，n为折射率
11、，由于紫光在水中的折射率最大，所以紫光的视深最浅，D正确，A、B、C错误。2光线由某种介质射向与空气的分界面，当入射角大于45时折射光线消失，由此可断定这种介质的折射率是()An BnCn Dn2解析：选B入射角大于45时折射光线消失，即这种介质的临界角C45，所以n，故B正确。3.如图中，一束平行单色光从真空垂直射入折射率为2、半径为R的半球形玻璃体，则从右侧向左看()A半球表面都发光B半球表面无光线射出C半球表面中央有截面半径为的圆亮斑D半球表面中央有截面半径为R的圆亮斑解析：选C光线在球的弧面发生折射，连接圆心和入射 点，根据公式sin C可得，sin C，故可得当距离圆心R以外的光线在
12、弧面上发生全反射，从右侧将看不到光线，所以半球表面中央有截面半径为R的圆亮斑，故C正确。4空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示。方框内有两个折射率n1.5的玻璃全反射棱镜。如图所示为两棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生图效果的是()解析：选B四个选项产生光路效果如图所示。则可知B项正确。5如图所示，一束光射到透明介质的A点，入射角为i，则()A当i足够大时，在A点将发生全反射B当i足够大时，光从球内向外射出时将发生全反射C无论i多大，在A点都不会发生全反射D无论i多大，光从球内向外射出时都会发生全反射解析：选C光从光密介质射向光疏介质才有可能发生
13、全反射，因此光在A点由空气进入介质时，肯定不能发生全反射。画出完整光路图，如图所示，由图可知A点的入射角i与B、D点的折射角始终相等。假设B点刚好发生全反射，则光将沿圆切线方向射出。那么A点光也沿切线方向传播，根本不会进入球内，这与假设矛盾。所以，当光进入球内，则一定会从球内射出，一定不会发生全反射。故C正确。6下述现象中由全反射造成的是()A露珠或喷泉的水珠，在阳光的照耀下格外耀眼B沙漠中的海市蜃楼C用光导纤维传输图像信号D插在水中的筷子看起来向上折了解析：选ABC水珠看起来格外耀眼、海市蜃楼等现象都属于全反射现象，故A、B正确；光导纤维传输信号的原理是全反射原理，故C正确；筷子在水中看起来
14、向上折了是光的折射现象，故D错。7一玻璃砖横截面如图所示，其中ABC为直角三角形(AC边未画出)，AB为直角边，ABC45。为一圆弧，其圆心在BC边的中点。此玻璃的折射率为1.5。P为一贴近玻璃砖放置的、与AB垂直的光屏。若一束宽度与AB边长度相等的平行光从AB边垂直射入玻璃砖，则()A从BC边折射出一束宽度与BC边长度相等的平行光B屏上有一亮区，其宽度小于AB边的长度 C屏上有一亮区，其宽度等于AC边的长度D当屏向远离玻璃砖的方向平行移动时，屏上亮区先逐渐变小然后逐渐变大解析：选BD宽为AB的平行光进入到玻璃中直接射到BC面，入射角为45临界角arcsin ，所以在BC面上发生全反射仍然以宽
15、度大小为AB长度的竖直向下的平行光射到上。画出光路图如图所示，可以知道以折射后的光向右偏折，经折射后的光向左偏折。当向下移动光屏时，屏上亮区先逐渐减小然后逐渐增大。故B、D均正确。8如图所示，空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体，其内圆半径为r，外圆半径为R，Rr。现有一束单色光垂直于水平端面A射入透明柱体，只经过两次全反射就垂直于水平端面B射出。设透明柱体的折射率为n，光在透明柱体内传播的时间为t，若真空中的光速为c，则()An可能为 Bn可能为2 Ct可能为 Dt可能为解析：选AB根据题意可画出光路图如图所示，则两次全反射的的入射角均为45，所以全反射的临界角C45，折射率n，A、B均正
16、确；光在介质中的传播速度v，所以传播时间t，C、D均错误。二、非选择题(共4小题，共52分，按题目要求作答。解答题应写出必要的文字说明、方程式和演算步骤，有数值计算的要注明单位)9(10分)如图所示是用某种透光物质制成的直角三棱镜ABC；在垂直AC面的直线MN上插两枚大头针P1、P2，在AB面的左侧透过棱镜观察大头针P1、P2的像，调整视线方向，直到P1的像_，再在观察的这一侧先后插入两枚大头针P3、P4，使P3_，P4_，记下P3、P4的位置，移去大头针和三棱镜，过P3、P4作直线与AB面相交于D，量出该直线与AB面的夹角为45，则该透光物质的折射率n_，并在图中正确地画出完整的光路图。解析
17、：折射率的测定原理是依据折射定律n，利用插针法将光在介质中的传播路线确定，从而测出相应的入射角1和折射角2，求解出n值。而插针便是利用它挡住物体(大头针)的像，用P3挡住P1、P2的像是为了确定入射光线，用P4挡住P3和P1、P2的像是为了确定出射光线。由题给条件可画出如图所示的完整光路图，且145，230所以n。答案：被P2的像挡住挡住P1、P2的像挡住P3和P1、P2的像光路图见解析图10(8分)如图所示，激光液面控制仪的原理是：固定的一束激光AO以入射角i照射到液面上，反射光OB射到水平的光屏上，屏上用光电管将光讯号转变成电讯号，电讯号输入控制系统用以控制液面的高度。如果发现光点B在屏上
18、向右移动了s的距离到B，由此可知液面_(填“升高”或“降低”)了_。解析：如图所示，光点右移是液面降低造成的，由几何知识得tan i，进一步推导得h。答案：降低11(16分)如图所示，一玻璃球体的半径为R，O为球心，AB为直径。来自B点的光线BM在M点射出，出射光线平行于AB，另一光线BN恰好在N点发生全反射。已知ABM30，求(1)玻璃的折射率。(2)球心O到BN的距离。解析：(1)设光线BM在M点的入射角为i，折射角为r，由几何知识可知，i30，r60，根据折射定律得n代入数据得n。(2)光线BN恰好在N点发生全反射，则BNO为临界角Csin C设球心到BN的距离为d，由几何知识可知dRsin C联立式得dR。答案：(1)(2)R12(18分)一赛艇停在平静的水面上，赛艇前端有一标记P离水面的高度为h10.6 m，尾部下端Q略高于水面；赛艇正前方离赛艇前端s10.8 m处有一浮标，示意如图。一潜水员在浮标前方s23.0 m处下潜到深度为h24.0 m时，看到标记刚好被浮标挡住，此处看不到船尾端Q；继续下潜h4.0 m，恰好能看见Q。求(1)水的折射率n；(2)赛艇的长度l。(可用根式表示)解析：(1)标记P的光路如图n。(2)Q点恰好被看到，则折射角为临界角Csin C解得：lm。答案：(1)n(2)m
