1、2 全反射 第四章 光 核心素养明目标核心素养学习目标 物理观念1.了解光的全反射，知道光疏介质、光密介质、临界角等概念。2.了解光导纤维的原理及应用。科学思维 理解全反射的条件，能利用全反射规律解释相关问题。科学探究 观察全反射现象，经历探究全反射规律的过程。科学态度与责任借助全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用，培养学生兴趣。自主预习探新知 NO.1知识点一 知识点二 知识点一 全反射1光疏介质和光密介质(1)光疏介质：折射率较(填“大”或“小”)的介质。(2)光密介质：折射率较(填“大”或“小”)的介质。(3)光疏介质与光密介质是(填“相对”或“绝对”)的。小大相对2全反射现象(1)
2、全反射：光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。若入射角增大到某一角度，使折射角达到 90时，光完全消失，只剩下光的现象。(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于时的入射角。用字母 C 表示，光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角 C与介质的折射率 n 的关系是 sin C1n。折射反射90(3)全反射发生的条件光从介质射入介质。入射角临界角。光密光疏等于或大于 光从光密介质进入光疏介质一定会发生全反射吗？提示：不一定。1：思考辨析(正确的打，错误的打)(1)因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质。()(2)同一束光，在光密介质中的传播速度较大。()(3)发生全反射时，
3、仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线。()知识点二 全反射棱镜和光导纤维1全反射棱镜(1)形状：截面为三角形的棱镜。(2)全反射棱镜的特点：当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生，与平面镜相比，它的反射率很高。等腰直角全反射2光导纤维(1)原理：利用了光的。(2)构造：由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的，光传播时在内芯与外套的界面上发生。(3)光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。(4)光纤通信的优点是传输容量、衰减、抗干扰性及保密性强等。全反射大全反射大小2：思考辨析(正确的打，错误的打)(1)全反射棱镜可以使光线传播的
4、方向改变 90。()(2)用任意一种材料制作的等腰直角三棱镜都是全反射棱镜。()(3)全反射棱镜和平面镜相比，反射时能量损失要小。()(4)光导纤维传递光信号是利用光的直线传播的原理。()3：填空华裔科学家高锟被誉为“光纤通信之父”。光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播。内芯的折射率比外套的_，光传播时在内芯与_的界面上发生全反射。解析 光纤内芯比外套折射率大，在内芯与外套的界面上发生全反射。答案 大 外套合作探究提素养 NO.2考点1 考点2 考点 1 对全反射的理解夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧
5、面看也是特别明亮，这是什么道理呢？提示：光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，有更多的光反射到人的眼睛中，人就会感觉特别明亮。1光疏介质和光密介质的分析：(1)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(2)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断谁是光疏介质或光密介质。(3)光疏、光密与密度的关系：光疏和光密是从介质的光学特性来说的，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质。2全反射现象(1)全反射的条件光由光密介质射向光疏介质。入射角大于或等于临界
6、角。(2)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。(3)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，能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。【典例 1】(2020课标全国理综34(2)直角棱镜的折射率 n1.5，其横截面如图所示，图中C90，A30。截面内一细束与 BC 边平行的光线，从棱镜 AB 边上的 D 点射入，经折射后射到 BC边上。(1)光线在 BC 边上是否会发生全反
7、射？说明理由；(2)不考虑多次反射，求从 AC 边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值。思路点拨：解题的关键是在第(1)问中找到光线在 AB 面的入射角 i 与在 BC 面的入射角 之间的关系，并能以特殊角度作为中介快速判断 与全反射临界角的关系。解析(1)如图所示，设光线在 D 点的入射角为 i，折射角为 r。折射光线射到 BC边上的 E 点。设光线在 E 点的入射角为，由几何关系，有 90(30r)60 根据题给数据得 sin sin 601n 即 大于全反射临界角，因此光线在 E 点发生全反射。(2)设光线在 AC 边上的 F 点射出棱镜，光线的入射角为 i，折射角为 r，由几何关系、
8、反射定律及折射定律，有 i30 i90 sin insin r nsin isin r 联立式并代入题给数据，得 sin r2 2 34 由几何关系，r即 AC 边射出的光线与最初的入射光线的夹角。答案(1)会发生全反射，理由见解析(2)2 2 34全反射问题的解题方法解决全反射问题的关键点有两个(1)准确熟练地作好光路图。(2)抓住特殊光线进行分析。求光线照射的范围时，关键是找出边界光线。如果发生全反射，刚能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。跟进训练1如图所示，某 L 形透明材料的折射率 n2。现沿 AB 方向切去一角，AB 与水平方向的夹角为，为使水平方向的光射到 AB 面时不会射入
9、空气，求 的最大值。解析 光不射入空气中，则在 AB 面发生全反射，如图所示 则有 sin C1n，且 C90，得 60。答案 60考点 2 全反射现象的应用如图所示，自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。那么自行车的尾灯利用了什么原理？提示：利用了全反射原理。1对全反射棱镜光学特性的两点说明(1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高。(2)反射时失真小，两种反射情况如图甲、乙所示。甲 乙2光导纤维的结构与应用实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃
10、丝，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射，使反射光的能量最强，实现远距离传送。因此，光信号能携带着声音、图像以及各种数字信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信，其主要优点是容量大，衰减小，抗干扰性强等。医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体的胃、肠等器官内部，如图所示。全反射棱镜的应用【典例 2】如图所示为单反照相机取景器的示意图，ABCDE 为五棱镜的一个截面，ABBC。光垂直于 AB 射入，分别在 CD 和EA 上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光垂直于 BC 射出。若两次反射都为全反射，则该五棱镜折
11、射率的最小值是多少？(计算结果可用三角函数表示)思路点拨：本题考查光的全反射规律的应用，正确画出光路图是解决本题的关键。解析 首先画出光路图，如图所示。设光射向 CD 面上时入射角为 1，根据两次反射的入射角相等，结合光路图可得 123422.5，又折射率 n1sin C，当临界角 C122.5时，折射率最小，故五棱镜折射率的最小值为 n1sin 22.5。答案 1sin 22.5 光导纤维的应用【典例 3】如图所示，一根长为 L 的直光导纤维，它的折射率为 n。光从它的一个端面射入，从另一端面射出所需的最长时间为多少？(设光在真空中的光速为 c)解析 该题考查光导纤维的全反射及光速问题。由题
12、中的已知条件可知，要使光线从光导纤维的一端射入，然后从它的另一端全部射出，必须使光线在光导纤维中发生全反射现象。要使光线在光导纤维中经历的时间最长，就必须使光线的路径最长，即光对光导纤维的入射角最小，光导纤维的临界角为 Carcsin1n。光在光导纤维中传播的路程为 d Lsin CnL，光在光导纤维中传播的速度为 vcn，所需的最长时间为 tmax nL cnn2Lc。答案 n2Lc解决光导纤维类问题要注意两点(1)全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。(2)传播时间问题：光在光纤中的传
13、播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值，在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，时间最长。跟进训练2(角度 1)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为 n1.5 的全反射棱镜。下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满足题意的是()A B C DB 四个选项中棱镜产生的光路效果如答图所示。由题图知，选项 B 满足题意。3(角度 2)如图所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层用折射率比玻璃小的介质包覆。若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为，则下列有关此光线传播
14、方式的叙述，正确的是()A不论 为何值，光线都不会发生全反射B不论 为何值，光线都会发生全反射C 够小时，光线才会发生全反射D 够大时，光线才会发生全反射C 发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质及入射角i 要大于或等于临界角 C，即光线传播到光纤侧面时的入射角 i 应满足 i90C，90C，故选项 C 正确。当堂达标夯基础 NO.31 2 3 4 1(多选)下列说法正确的是()A因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质B因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质C同一束光，在光密介质中的传播速度较小D光从光密介质射入光疏介质有可能不发生全反射1 2 3 4 BCD 因
15、为水的折射率为 1.33，酒精的折射率为 1.36，所以水对酒精来说是光疏介质，与介质密度无关；由 vcn可知，光在光密介质中的速度较小，光由光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角时才发生全反射，故选 B、C、D。1 2 3 4 2.(多选)如图所示，ABCD 是两面平行的透明玻璃，AB 面和 CD面平行，它们是玻璃和空气的界面，设为界面 1 和界面 2。光线从界面 1 射入玻璃砖，再从界面 2 射出，回到空气中，如果改变光到达界面 1 时的入射角，则()1 2 3 4 A只要入射角足够大，光线在界面 1 上可能发生全反射现象B只要入射角足够大，光线在界面 2 上可能发生全反射现象C不
16、管入射角多大，光线在界面 2 上都不可能发生全反射现象D光线穿过玻璃砖后传播方向不变，只发生侧移1 2 3 4 CD 在界面 1，光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不能发生全反射现象；在界面 2，光由玻璃砖进入空气，是由光密介质进入光疏介质，由于界面 1 和界面 2平行，光由界面 1 进入玻璃后再到达界面 2，在界面 2 上的入射角等于在界面 1 上的折射角，因此入射角总是小于临界角，也不会发生全反射现象；光线穿过玻璃砖后传播方向不变，只发生侧移。1 2 3 4 3.(多选)如图所示，有一束平行于等边三棱镜截面 ABC 的单色光从空气射向 E 点，并偏折到 F 点
17、，已知入射方向与边 AB 的夹角 30，E、F 分别为边 AB、BC 的中点，则下列说法正确的是()1 2 3 4 A从 F 点出射的光线与入射到 E 点的光线平行B该棱镜的折射率为 3C光线在 F 点发生全反射D光线从空气进入棱镜后，传播速度变小1 2 3 4 BD 如图所示，由几何关系可知，光线在 F点的入射角等于光线在 AB 边上的折射角，由光路的可逆性知，光线在 F 点不可能发生全反射，而且从 F 点出射的光线与 BC 边的夹角为，所以从 F点出射的光线与入射到 E 点的光线不平行，A、C错误；由几何知识得，光线在 AB 边上的入射角为 i60，折射角为r30，则该棱镜的折射率为 ns
18、in isin r 3，B 正确；光线从空气进入棱镜后，频率不变，传播速度变小，D 正确。1 2 3 4 4(新情境题，以观景为背景考查全反射)一湖面上有一伸向水面的混凝土观景台，其截面图如图所示，观景台下表面恰好和水面相平，A 为观景台右侧面在湖底的投影，水深 h4 m，在距观景台右侧面 x4 m 处有一可沿竖直方向上下移动的单色点光源 S，点光源 S 可从距水面高 3 m 处下移到接近水面，在移动过程中，观景台水下被照亮的最远距离为 AC，最近距离为 AB，若 AB3 m，求：1 2 3 4(1)水的折射率 n；(2)光能照亮的最远距离 AC。(结果可以保留根式)1 2 3 4 解析(1)
19、点光源 S 在距水面高 3 m 处发出的光在观景台右侧面与水面交接处折射到水里时，被照亮的距离为最近距离 AB，由于nsin isin r，所以水的折射率 nx32x2ABAB2h243。1 2 3 4(2)点光源 S 接近水面时，光在观景台右侧面与水面交接处折射到水里时，被照亮的距离为最远距离 AC，此时，入射角为 90，折射角为临界角 C 则：nsin 90sin C AC2h2AC43 可得 sin C34 1 2 3 4 由数学知识得 tan Csin Ccos C3 77，解得 AChtan C1277m。答案(1)43(2)1277m回归本节知识，自我完成以下问题：1发生全反射的条
20、件是什么？提示：光由光密介质射入光疏介质，入射角大于或等于临界角。2密度大的介质一定是光密介质吗？提示：不一定。3光的全反射有哪些常见应用？提示：全反射棱镜、光导纤维。课外阅读拓视野 NO.4光纤通信发展新趋势全光网络在光纤光缆中实现超高速、超大容量和超长距离的传输是光纤通信技术所不懈追求的，而实现全光网络覆盖是光纤通信的最终目标。所谓全光网络，是指网络传输与网络交换过程全部以光信号完成，只在进出网络时才进行光电转换。在传输过程中无需对电信号进行处理，因此可采用 SDH、PDH 和 ATM 等各种传输方式，有效地提高网络利用率。全光网络将是光纤通信技术发展的终极目标和理想阶段，未来的超高速通信
21、网络将由全光网络覆盖。现有的光纤网络仅仅实现了网络节点之间的全光通信，而网络节点部分仍为电器件，电器件自身的性能成为了通信系统骨干网总容量提高的一大瓶颈。全光网络中全部环节的电节点都由光节点替换，节点之间的通信也实现了全光化，信息的传输与交换始终以光信号形式完成，在对数据信息进行计算与处理的过程中不再以“比特”为基本单位，取而代之的是“波长”。因此，全光网络将是今后光纤通信技术研究中一个非常重要的课题，也是一个具有颠覆性的课题。目前，全光网络还处在发展初期、理论研究阶段，但已显现出良好的发展势头与明显的技术优势。从技术发展趋势来看，形成一个以光交换技术结合 WDM 技术为核心的光通信网络层，通过消除电光装换瓶颈从而建立全光网络已成为光纤通信发展的必然趋势，更是未来通信系统传输网络的核心。问题1光纤通信的原理是什么？提示：光的全反射。2光纤通信的优点有哪些？提示：信息传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强。点击右图进入 课 后 素 养 落 实 谢谢观看 THANK YOU!
