高中物理人教版4第十三章光2光的干涉 第13章

2全反射学习目标知识脉络1.理解光的全反射，会利用全反射解释有关现象．2．理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应的光路图．(重点)3．了解全反射棱镜和光导纤维.全反射eq\a\vs4\al([先填空])1．光密介质和光疏介质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小折射特点光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角2.全反射及发生条件(1)全反射及临界角的概念①全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象．②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：①光从光密介质射入光疏介质．②入射角等于或大于临界角．(3)临界角与折射率的关系光由介质射入空气(或真空)时，sinC＝eq\f(1,n)(公式)．eq\a\vs4\al([再判断])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．(×)eq\a\vs4\al([后思考])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相比较折射率而确定的，只有一种介质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，因此人眼感觉气泡特别明亮．eq\a\vs4\al([核心点击])1．对光疏介质和光密介质的理解光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义．例如：水晶(n＝对玻璃(n＝是光密介质，而对金刚石(n＝来说，就是光疏介质．同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，不是绝对的．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．由v＝eq\f(c,n)可知：光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小．光在两种介质中传播时，由折射定律可知：n1sinθ1＝n2sinθ2，n1v1＝n2v2，由此可知：当光从光密介质传播到光疏介质时，折射角大于入射角；当光从光疏介质传播到光密介质时，折射角小于入射角．光在光疏介质中传播的速度大于光在光密介质中传播的速度．2．对全反射的理解(1)全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解．当光从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射．(2)全反射遵循的规律：光从光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律，有关计算仍依据反射定律进行．1．下列选项所示光线由空气透过半圆形玻璃砖，再射入空气的光路图中，正确的是(玻璃的折射率为()【解析】【答案】BDE2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为、、和，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是()【导学号：23570090】A．从玻璃射入水晶 B．从水射入二硫化碳C．从玻璃射入水中 D．从水晶射入水E．从玻璃射入二硫化碳【解析】发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故A、C、D正确．【答案】ACD3.为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB面以60°入射角射入长方体时光线刚好不能从BC面射出，如图13­2­1所示，该材料的折射率是多少？图13­2­1【解析】如题图所示，根据折射定律：n＝eq\f(sin60°,sinr)①由题意可知sinC＝eq\f(1,n)②而C＝90°－r③由②③得cosr＝eq\f(1,n)④而cosr＝eq\r(1－sin2r)，代入④得eq\r(1－sin2r)＝eq\f(1,n)⑤联立①和⑤解得n＝eq\f(\r(7),2).【答案】eq\f(\r(7),2)解答全反射类问题的技巧1．光必须从光密介质射入光疏介质．2．入射角大于或等于临界角．3．利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时尽量与实际相符，这样更有利于问题的分析．全反射的应用eq\a\vs4\al([先填空])1．全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光的方向．2．光导纤维：由折射率较大的内芯和折射率较小的外套组成，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射．eq\a\vs4\al([再判断])1．光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射．(×)2．全反射棱镜和平面镜都是根据全反射原理．(×)3．光纤通信的主要优点是容量大．(√)eq\a\vs4\al([后思考])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．eq\a\vs4\al([核心点击])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13­2­2甲、乙所示．图13­2­22．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、图象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13­2­3所示．图13­2­34．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13­2­4所示，方框内有两个折射率为n＝的全反射玻璃棱镜．在框内画出两个棱镜的放置方式并作出光路图．图13­2­4【答案】5．华裔科学家高锟获得2023年诺贝尔物理奖，他被誉为“光纤通讯之父”．光纤通讯中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图13­2­5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.【导学号：23570091】图13­2­5【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6．如图13­2­6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)图13­2­6【解析】该题考查光导纤维的全反射及光速问题．由题中的已知条件可知，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C＝arcsineq\f(1,n).光在光导纤维中传播的路程为d＝eq\f(L,sinC)＝nL，光在光导纤维中传播的速度为v＝eq\f(c,n)，所需的最长时间为tmax＝eq\f(nL,\f(c,n))＝eq\f(n2L,c).【答案】eq\f(n2L,c)对光导纤维折射率的要求设光导纤维的折射率为n，当入射光线的入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全发射，如图13­2­7所示，则有：sinC＝eq\f(1,n)，n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sinθ1＝eq\r(n2