1、物 理 选修3-4 人教版新课标导学第十三章 光 第二节 全反射知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念 能判断是否发生全反射，能计算有关问题，并能解释全反射现象了解全反射现象的应用1 课前预习反馈 2 课内互动探究 3 核心素养提升 4 课内课堂达标 5 课后课时作业 课 前 预 习 反 馈光疏介质和光密介质较小 名称项目 光疏介质光密介质定义折射率_的介质折射率_的介质传播速度光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度_折射特点(1)光从光疏介质射入光密介质时，折射角_入射角(2)光从光密介质射入光疏介质时，折射角_入射角较大 小 小于 大于 1定义当入射角增大到某一角度，使折射
2、角达到_时，折射光完全消失，只剩下_，这种现象叫做全反射，这时对应的_叫做临界角。2发生全反射的条件(1)光由_介质射入_介质。(2)入射角_或_临界角。全反射90 反射光 入射角 光密 光疏 大于 等于 3临界角与折射率的关系(1)定量关系：光由某种介质射入空气(或真空)时，sinC_。(2)定性关系：介质的折射率越大，发生全反射的临界角_，越容易发生全反射。1n越小1全反射棱镜(1)构造：截面为_的棱镜叫全反射棱镜。(2)光学特性：当 光 垂 直 于 截 面 的 直 角 边 射 入 棱 镜 时，光 在 截 面 的 斜 边 上 发 生_，光射出棱镜时，传播方向改变了_。当光垂直于截面的斜边射
3、入棱镜时，在两个直角边上各发生一次_，使光的传播方向改变了_。全反射的应用等腰直角三角形 全反射 90 全反射 180(3)主要优点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_。反射面不必涂敷任何反光物质，反射时_。全反射 很高 失真小 2光导纤维(1)原理：利用了光的_。(2)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1100 m左右，如图所示。它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率_外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次_，从另一端射出。(3)主要优点：容量大、_损耗小、抗干扰能力强、_等。全反射 大于 全反射 能量 保密性好 判一判(1)
4、水的密度大于酒精的密度，水是光密介质。()(2)光从水中射入空气中时一定能发生全反射。()(3)光从玻璃射入水中时能发生全反射。()(4)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射。()(5)只要入射角足够大，就能发生全反射。()选一选(多选)透明的水面上有一圆形荷叶，叶梗直立在水中，紧靠叶梗有一条小鱼，在岸上的人恰能看到小鱼，则()A当小鱼潜深点时，人就看不见它B当小鱼潜深点时，人照样能看见它C当小鱼上浮点时，人就看不见它D当小鱼上浮点时，人照样看见它解析：小鱼下潜一点后，它的入射角变小，光线能折射出水面，人能看到鱼，同理，鱼上浮一点，入射角大于临界角，
5、发生全反射，所以，B、C正确，A、D错误。BC 想一想夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮，这是什么道理呢？解析：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晴中，光的能量大了，人就会感觉特别明亮。课 内 互 动 探 究如图所示，光由玻璃斜射向空气，若逐渐增加入射角，当入射角增大到一定程度后将出现折射光消失的现象，这种现象叫做全反射。请问：要想出现这种现象必需具备什么条件？探究一 全 反 射 提示：光从光密介质射入光疏介质入射角大于或等于临界角1对光疏介质和光密介质的理解(1)相对性光疏介质和光密介质是相对而言的，并
6、没有绝对的意义。例如：水晶(n1.55)对玻璃(n1.5)是光密介质，而对金刚石来说(n2.427)，就是光疏介质。同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的。(2)与介质密度无关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。(3)光疏介质和光密介质的比较光的速度 折射率光疏介质大小光密介质小大2.全反射(1)全反射现象光由光密介质进入光疏介质时，当入射角增大到某一角度时，折射角达到90，折射光全部消失，只剩下反射光的现象。这个角度称为临界角，用 C 表示。(2)全反射临界角sinC1n临界角的含义：折射角为 90时的入射角
7、。规律：一旦发生全反射，即遵循光的反射定律。(3)产生全反射现象的条件光从光密介质射到它与光疏介质的界面上。入射角等于或大于临界角。(4)全反射现象中的能量分配关系折射角随入射角的增大而增大，折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光线增强，能量增大，亮度增加。当入射角增大到某一角度时(即临界角)，折射光能量减到零，入射光的能量全部反射回来，这就是全反射现象。(5)不同色光的临界角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。(2018河南省天一大联考高二下学期段考)如图所示，直角三棱镜ABC 的斜边 AB 长为 L，C9
8、0，A(未知)，一束单色光从斜边上某点(非中点)垂直入射到棱镜中，已知棱镜折射率为 n2，单色光在真空中的传播速度为 c，(1)求 在什么范围内，入射光能够经过两次全反射又从斜边射出；(2)若 45，该单色光从斜边某处垂直入射到棱镜中，通过棱镜后出射光与入射光的距离为L4，求此单色光通过三棱镜的时间。解题指导：分析光的全反射时，关键是根据临界条件画出发生全反射时的光路图，再利用几何知识分析边角关系。当发生全反射时，仍遵循光的反射定律及光的可逆性。解析：(1)光的传播方向如图所示，欲使入射光在左侧直角边发生全反射，须满足 sin1n解得 30，又在光反射至右侧直角边时，入射角为 90，欲使入射光
9、在该边发生全反射，须满足 sin(90)1n解得 60，所以 的范围为 3060(2)当 45时，由几何关系可知光在三棱镜中通过的距离 sL光在棱镜中的传播速度 vcn则单色光通过三棱镜的时间 tsv2Lc答案：(1)3060(2)2Lc对点训练1 如图是在高山湖泊边拍摄的一张风景照片，湖水清澈见底，近处湖面水下的景物(石块、砂砾等)都看得很清楚，而远处只看到对岸山峰和天空的倒影，水面下的景物则根本看不到。下列说法中正确的是()A远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了全反射B光线由水射入空气，光的波速变大，波长变小C远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，可能发生了全反射，
10、所以看不见D近处水面下景物的光线射到水面处，入射角较小，反射光强而折射光弱，因此有较多的能量射出水面而进入人眼中C解析：远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了反射，但不是全反射，因为全反射只有光从光密介质射入光疏介质时才可能发生，故A错误；光线由水射入空气，光的波速变大，频率不变，由波速公式vf知波长变大，故B错误；远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，当入射角大于等于全反射临界角时能发生全反射，光线不能射出水面，因而看不见，故C正确；近处水面下景物的光线射到水面处，入射角较小，反射光较弱而折射光较强，射出水面而进入人眼睛中的能量较多，故D错误。如图所示，自行车后面有尾灯
11、，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：利用了全反射的原理。探究二 全反射的应用 1全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜。它在光学仪器里，常用来代替平面镜，改变光的传播方向。光通过全反射棱镜时的几种方式：入射方式项目方式一方式二方式三光路图入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光线方向改变角度901800(发生侧移)2.光导纤维(1)光导纤维：用光密介质制成的用来传导光信号的纤维状的装置。(2)光纤原理：“光纤通信”利用了全反射原理。实际用的光导纤维
12、是非常细的特制玻璃丝，一定程度上可以弯折，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套组成。如图所示，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。(3)光纤的应用：携带着数码信息、电视图象、声音等的光信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信。由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为高速传输信息的载体。要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多少？解题指导：准确理解光纤传导的原理，利用全反射临界角计算。解析：设激光束在光导纤
13、维前端的入射角为 1，折射角为 2，折射光线射向侧面时的入射角为 3，如图所示。由折射定律 nsin1sin2由几何关系 2390，则 sin2cos3由全反射临界角公式 sin31n故 cos31 1n2要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有 190，sin11故 nsin1sin2sin1cos311 1n2nn21解得 n 2答案：n 2对点训练2 空气中两条光线a和b从虚框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图1所示。虚框内有两个折射率n1.5的玻璃全反射棱镜。图2给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生图1效果的是()B解析：四个选项产生光路效果如图所示：则可
14、知 B 项正确。核 心 素 养 提 升解决全反射问题的基本思路1确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。2若光由光密介质进入光疏介质时，则根据 sinC1n确定临界角，看是否发生全反射。3根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。4运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理或定量计算。一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为 R 的半圆，AB 为半圆的直径，O 为圆心，如图所示。玻璃的折射率为 n 2。(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面。若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在 AB 上的最大宽度为多少？(2)一细束光线在 O 点左侧与 O 相距32
15、 R 处垂直于 AB 从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置。答案：(1)2R(2)O 点右侧与 O 相距 32 R解析：本题考查全反射涉及的几何计算，解题思路为先求出临界角，然后利用几何关系求距离。(1)在 O 点左侧，设从 E 点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角，则 OE 区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图由全反射条件有sin1n 由几何关系有 OERsin由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为 l2OE联立式，代入已知数据得 L 2R(2)设光线在距 O 点 32 R 的 C 点射入后，在上表面的入射角为，由几何关系及式和已知条件得60光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由 G 点射出，如图，由反射定律和几何关系得OGOC 32 R射到 G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达 C 点射出。课 内 课 堂 达 标课 后 课 时 作 业
