高中物理第十三章光第2节全反射学案新人教版选修3-4

1、.理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象。. 了解全反射棱镜和光导纤维的工作原理以及在生产、生活中的应用。01 1课前自主学习 K EQI ANZ IZHUXLEXI名称项目、定义传播速度折射特点第2节全反射核心素养定位1 .知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念。23一、全反射1 .光疏介质和光密介质光疏介质光密介质折射率皿较小的介质 折射率眼较大的介质光在光密介质中的传播速度比在光疏介质 中的传播速度幽小(1)光由网光疏介质射入眼光密介质时,折 射角小于入射角(2)光由咽光密介质射人间光疏介质时.折 射角大于入射角2 .全反射(1)概念：当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生

2、折射和反射，当入射角增大到某一 角度，使折射角达到 90。时，出8折射光完全消失，只剩下口型反射光,这种现象叫做全反射。(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90。时的aO入射角。用字母 C表示。(3)发生全反射的条件光从 孚光密介质射入印2光疏介质。入射角卫等于或大于临界角。(4)临界角与折射率的关系当光由介质射入空气(真空)时，sinC=吗。、全反射棱镜截面为型等腰直角三角形的棱镜叫做全反射棱镜，其作用是改变光的传播口02方向。三、光导纤维1 .原理利用了堂全反射的原理。2 .构造光导纤维直径只有几微米到一百微米，由口 02内芯禾口空外套两层组成,内芯的折射率比外 套的04大,光传播时

3、在内芯与外套的界面上发生口 05全反射。判一判(1)密度大的介质就是光密介质。()(2)两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质。()(3)光密介质和光疏介质具有绝对性。()(4)截面是三角形的棱镜是全反射棱镜。()(5)全反射棱镜和平面镜都是利用了光的全反射原理。()(6)光在光纤中传播时，在内芯和外套的界面上发生全反射。()(7)光纤通信的主要优点是容量大。()提示：(1) X (2) V (3) X (4) X (5) X (6) V (7) V想一想(1)只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质？提示：不能。光密介质、光疏介质是对确定的两种介质的折射率相比较而确定的，只有 一种介质

4、是无法比较折射率的，从而无法确定它是光疏介质还是光密介质。(2)为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？提示：水或玻璃中的气泡相对水或玻璃是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部 分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发 出的，因此人眼感觉水或玻璃中的气泡特别明亮。(3)微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂，光纤为什么要由两层介质构成？提示：光纤的工作原理是全反射，要由两种介质配合才能产生全反射现象。oak课堂探究评价KETAXKJA?M1UPM；JIA课堂任务子*全反射i.光疏介质和光密介质不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介

5、质称为光疏介质，折射率较大的介质称 为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。介,与介盘工艳忖：飞都是出器介出2.全反射(1)全反射及临界角的概念全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射，当入射角增大到某 一角度，使折射角达到90。时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。如图所示。临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90。时的入射角。用字母 C表示。(2)全反射的条件要发生全反射，必须同时具备两个条件：光从光密介质射入光疏介质。入射角等于或大于临界角。(3)临界角与折射率的关系1定量关系：光由介质射入空气 (或真空)时，sin C= n。定性关系：光从光密介质射入光

6、疏介质，光密介质的折射率越大，发生全反射的临界 角就越小，越容易发生全反射。(4)从能量角度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，同时折射光强度减 弱，即折射光能量减小，反射光强度增强，即反射光能量增大，当入射角达到临界角时，折 射光强度减小到零，反射光的能量等于入射光的能量。(5)因为介质的折射率与光的颜色有关，所以全反射临界角不仅与介质有关，还与光的颜色有关。画园园例1 (多选)如图所示，ABCM两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的界面，分别设为界面I和界面n。光线从界面I射入玻璃砖，再从界面n射出，回到空气中， 如果改变光到达界面I时的入射角

7、，则 ()A.只要入射角足够大，光线在界面I上可能发生全反射现象B.只要入射角足够大，光线在界面n上可能发生全反射现象 C.不管入射角多大，光线在界面I上都不可能发生全反射现象 D.不管入射角多大，光线在界面n上都不可能发生全反射现象II（1）在界面I上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？能发生全反射吗？提示：在界面I上光由光疏介质 （空气）进入光密介质（玻璃），不能发生全反射。（2）在界面n上的入射角能大于临界角吗？提示：不能。界面n上的入射角总等于界面I上的折射角，总小于临界角。规范解答在界面I上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，都不可能发生

8、全反射现象，A错误，C正确；在界面n上光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面I和界面n平行，光由界面I进入玻璃后再到达界面 n ,在界面n上的入射角等于在界面I上的折射角，故入射角总是小于临界角，因此也不可 能发生全反射现象，B错误，D正确。完美答案CD|四件点ft1解决全反射问题的思路（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。1人（2）若光由光密介质进入光疏介质，则根据sin C=-确定临界角，看是否发生全反射。n（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、运算及变换进行动态分析

9、或定量计算。A.二r B. 变式训练1为了表演“隐形的大头针”节目， 某同学在半径为r的圆形软木片中间垂 ，直插入一枚大头针，并将其放入盛有水的碗中，如图所示。已知水的折射率为为了保证表3演成功即在水面上看不到大头针，大头针末端离水面的最大距离卜为（）r C. 3r D. 士r 3347答案 A解析 大头针末端射到软木片边缘的光线恰好发生全反射时，在水面上看不到大头针，且大头针末端离水面的距离最大，此时sin C=弋2r+卜2，又sin C=；,解得h=r, A正确。课堂任务全反射的应用树画画画i.全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜叫做全反射棱镜。它在光学仪器里，用来改变光的传播 方向。卜

10、表为光通过全反射棱镜时的几种入射方式。入射方式 项目光路图方式一方式二方式三入射面一羲射向光线方向 改变角度2.光导纤维光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1100 左右，如图所示。它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经 多次全反射，从另一端射出。AB.BC90fi180"AfiAC0"发生恻移)3 .光导纤维的应用(1)利用光导纤维可实现光纤通信，而光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等。(2)医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。4 .生活中的全反射现象(1)两种蜃景原理因为海水温

11、度低，所以海面附近空气温度低，高空空气温度高，越向上空气密度越小， 折射率越小，其蜃景原理如图甲所示。因为沙漠受阳光照射很热，下层空气温度比上层空气 温度高，越向上空气密度越大，折射率越大，其蜃景原理如图乙所示。甲乙(2)其他全反射现象：水或玻璃中的气泡很明亮，钻石光彩夺目，彩虹的形成等。河函覆IS例2如图所示，AB为有机玻璃棒，A B之间距离为s,使一光脉冲信号从有机玻璃棒A点传输到B点所用时间为t ,求有机玻璃棒的折射率no(已知光在真空中的传播速度为c)°|实践探究II“恰好发生全反射”意味着什么?中间入射，射入后在有机玻璃棒与空气的界面上恰好发生全反射，由-17 -提示：入射

12、角 a等于临界角C(2)光在有机玻璃棒中的传播速度等于真空中的光速吗?c提示：不等于。光在有机玻璃棒中的传播速度为v=?规范解答设有机玻璃棒的折射率为n,则有sin a st = :vvsin a由式解得完美答案全反射的应用要注意的问题(1)全反射发生在光从光密介质射入光疏介质时。1 一，、 c 一(2)恰好发生全反射现象时，应用sin C= n和光速公式v = n解题。(3)正确作出光路图，利用几何边角关系分析。注意：个别试题需要利用数学知识求函数的极值。变式训练21如图甲所示，夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中。古人不明白产

13、生这种景象的原因，对它作了不科学的解释， 认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的，因而叫做“海市蜃楼”，也叫蜃景。如图乙所示，沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可即，这也是“蜃景”。下列有关蜃景的说法中错误的是()甲乙A.海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B.沙面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小C. A是蜃景，B是景物D. C是蜃景， D是景 物答案 B解析 海面上，下层空气的温度比上层低，则下层空气的密度比上层要大，故下层空气 的折射率比上层空气的折射率要大，A正确；由于人眼认为光是沿直线传播的，故A是蜃景，B是景物，C正确；太阳照到沙面上，接近沙面的热空气层

14、比上层空气的密度小，折射率也小，即上层空气的折射率大，B错误；从远处物体射向沙面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，会发生全 反射，人们逆着光线看去，就会看到远处物体的倒影，故C是蜃景，D是景物，D正确。变式训练22如图所示，平静湖面岸边的垂钓者， 眼睛恰好位于岸边 P点正上方0.9 m的高度处，浮标 Q离P点1.2 m远，鱼饵灯 M在浮标正前方1.8 m处的水下，垂钓者发现鱼4饵灯刚好被浮标挡住，已知水的折射率n=-,求:3(1)鱼饵灯离水面的深度；PQ间(2)若鱼饵灯缓慢竖直上浮，当它离水面多深时，鱼饵灯发出的光恰好无法从水面射出。答案 (1)2.4 m (2)1.59

15、 m解析(1)设入射角、折射角分别为i、r,设鱼饵灯离水面的深度为h2。1 -S1S2则有：sin i = 122 sin r = / 22“S1+h1Qs2+h2根据光的折射定律可以知道：n = sn-r联立并代入数据得:h2= 2.4 m 。（2）当鱼饵灯离水面深度为h3时,水面PQ间恰好无光射出，此时鱼饵灯与浮标的连线和竖直方向夹角恰好为临界角 C,则有:.-1 sin C= - n，口 337得：h3 = T-1.59 m。503 k课后课时作业 KEHOUKESHI/U0YE =A组：合格性水平训练1 .（光密介质与光疏介质）（多选）下列说法正确的是（）A.因为水的密度大于酒精的密度

16、，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大D.同一束光，在光密介质中的传播速度较小答案 BD解析 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，A错误，B正c确；由v=-可知，同一束光在光密介质中的传播速度较小，故 C错误，D正确。 n2 .（全反射白条件）（多选）关于全反射，下列说法中正确的是（）A.发生全反射时，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B.光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C.光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象D.水或玻璃

17、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，在界面处发生 了全反射答案 CD解析 全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质，故A、B错误，C正确；当光线经由水或玻璃射向气泡时，由于水和玻璃的折射率均大于空气的折射率，部分光线在界面处发生全反射，所以 气泡会显得特别亮，D正确。3.（临界角）光在某种介质中传播时的速度为1.5X108m/s,那么，光从此种介质射向空气并发生全反射的临界角应为A. 60° B . 45° C .()30° D . 75°答案 C-，_ c解析根寸n =

18、 v，sin1 V 1.5X108 1 _08/彳导sin C= r藐F=1解得C=30，C正确。4.（全反射白应用）如图所示，自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发 光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，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。下面说法中正确的是A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射答案 C解析 汽车灯光应从右面射向自行车尾灯，光在尾灯内部左表面发生全反射，使自行车后面

19、的汽车司机发现前面有自行车，避免事故的发生，A、B、D错误，C正确。5 .（全反射白应用）光导纤维的结构如图所示， 其内芯和外套材料不同， 光在内芯中传播。 以下关于光A.内芯的折射率比外套的大, B.内芯的折射率比外套的小, C.内芯的折射率比外套的小,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射 光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射 光传播时在内芯与外套的界面上发生折射D.内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用答案 A解析 光导纤维是利用光从光密介质 （内芯）射入光疏介质（外套）时发生全反射的现象来 传递信息的，日C、D错误，A正确。6 .（全反射白计算）为测量一块等腰直角

20、三棱镜 ABC的折射率，用一束光沿平行于BC边的方向射向 AB边，如图所示。光束进入棱镜后射到AC边时，刚好能发生全反射。该棱镜的折射率为（）A. ；6 B. :2 C. :3 D.”答案 D解析 作出光路图，如图所示，根据题意和几何关系可知，i=45。，门=用，sinC= 1, sin rnr = 90° C,联立以上各式，可得 n=* A B、C错误，D正确。7 .（全反射白计算）如图所示，一束光从空气中垂直入射到折射率为近的直角三棱镜。求从棱镜第一次射出的光线与原入射方向的偏转角度。答案 300解析 如图所示，光线射到斜边时，i=60。sin i >sin C,即 i &

21、gt; C,设全反射的临界角为C,因为：sie d,siniW，可得 故光射到斜边上时发生全发射。由几何关系知，光反射到另一直角边时的入射角：i ' =30°设光从另一直角边射出时的折射角为r,则由折射率的定义有sin i 'sin r1 ，r。n,得：= 60所以从棱镜第一次射出的光线与原入射方向的偏转角为：a =90。一60。=30。8 .（色光的全反射）半径为R的固定半圆柱形玻璃砖的横截面如图所示，O点为圆心，OO为直径MN的垂线，足够大的光屏 PQSI靠在玻璃砖白右侧且与 M建直。一束复色光沿半径方 向与OO成0 =30°角射向O点，已知复色光包含折

22、射率从巾=/到n2 = *的光束，因而光屏上出现了彩色光带。（1）求彩色光带的宽度；（2）当复色光入射角逐渐增大时，光屏上的彩色光带将变成一个光点，求e角至少为多少时会出现这种现象。答案（1） 1-乎 R（2）45°解析（1）由折射定律得ni = n2 = 代入数据，解得3 1 = 45° , §2=60°。 sin 0 sin 0故彩色光带的宽度为 Rtan45 ° Rtan30 ° = 1虫 R3（2）当所有光线均发生全反射时，光屏上的光带消失， 反射光束将在PN上形成一个光点。1当折射率为n1的单色光在玻璃表面上恰好发生全反射时

23、，对应的e值最小，因为sin G =n1,所以 C1 = 45 ,故 9 的最小值 8min=Ci = 45° 。B组：等级性水平训练9.（全反射白计算）在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴（右图中虚线）与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图所示。有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合。已知玻璃的折射率为1.5,则光束在桌面上形成的光斑半径为（）A. r B . 1.5 r C . 2r D , 2.5 r 答案 C1 一解析 因为n=1.5,根据sin C=-可知临界角C<60。由题意光束第一次射到圆锥侧面 n

24、上的入射角为60。，大于临界角，所以光路如图所示，左侧光线在圆锥面A点发生全反射，在4OA珅，-OB= r, /AOB= 60° ,利用几何关系可求得 "AB=3r,在 ABC中，/ ACB= 30。，利用几何关系可求得 "Bo=3r,由此可知光束在桌面上形成的光斑半径为R= -bC-Bo= 2r, C正确。10 .（光的折射与全反射综合）（多选）如图所示是一玻璃球体，其半径为R, O为球心，AB为水平直径。M点是玻璃球的最高点，来自 B点的光线BD从D点射出，出射光线平行于 AR 已知/ ABD= 30° ,光在真空中的传播速度为c,则（）A.此玻璃的

25、折射率为13, ，工,3RB.光线从B到D需用时一C.若增大/ ABD光线不可能在 D限发生全反射现象D.若减小/ ABD从AD段射出的光线均平行于 AB答案 AB解析 由题图可知光线在 D点的入射角为i=30° ,折射角为r=60° ,由折射率的定义 得门=2*，故n=/,A正确；光线在玻璃球中的传播速度为v=2=g3c,由题图知BD= y3 BD 3R R,所以光线从B到D需用时1=q"=三，B正确；若增大/ ABD入射角增大，当光线射向DM段时，射向M点时入射角最大，为45° ,而临界角满足sin C=、=乎<2 = sin45 °

26、 ,即C<45 , 故光线可以在 D限发生全反射现象，C错误；ZABD= i ,由图知/ DOA= 2i ,只有当r = 2i时， 从AD段射出的光线才平行于 AB,又因为 驾=43,解得i=30。，即要使出射光线平行于sin iAB则入射角必为 30。，即/ AB3为30。，D错误。11 .（光的折射与全反射的综合应用）一个由某种材料制成的半圆柱形透明砖，其横截面 是半径R= 20 cm的半圆，AB为半圆的直径，O为圆心，如图所示。一束平行单色光垂直射向 透明科的下表面，若光线到达上表面后，能从该表面射出的入射光束在AB上的最大宽度为20（1）求该透明材料的折射率;(2) 一细束光线(与题中光线相同)在O点左侧与O相距102 cm处垂直于AB从AB下方 入射，求此光线从透明科射出点的位置。答案 (1)2 (2)光线从透明科射出点的位置在O点右侧到O点的距离为10、/5 cm处解析(1)在O点左侧，设从E点射入的光线进入透明科后在上表面的入射角恰好等于全反射