新教材同步系列2024春高中物理第4章光及其应用第3节光的全反射与光纤技术教师用书粤教版选择性必修第一册

第三节光的全反射与光纤技术1．理解全反射现象和临界角的概念，知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件．2．能用光线模型探索生活中光的全反射现象．3．了解光导纤维的工作原理及其应用．4．能从不同角度思考光传播的问题．知识点一光的全反射现象1．光疏介质和光密介质(1)光疏介质：折射率较小(选填“大”或“小”)的介质．(2)光密介质：折射率较大(选填“大”或“小”)的介质．(3)光疏介质与光密介质是相对(选填“相对”或“绝对”)的．2．光的全反射当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大．当入射角达到一定角度，折射角变成90°，继续增大入射角，折射角将大于90°．此时，入射光线全都被反射回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射．3．临界角刚好发生全反射，折射角等于90°时的入射角，称为临界角，记作ic．光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角ic与介质的折射率n的关系是sinic＝1n4．发生光的全反射的两个必要条件(1)光线从光密介质射入光疏介质．(2)入射角等于或大于临界角．知识点二光导纤维的工作原理1．光纤及原理光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端，其原理就是利用了光的全反射．2．光纤的构造光纤用的是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，光纤由纤芯和包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射．知识点三光纤技术的实际应用1．光缆可以用来传送图像，医学上用来检查人体消化道的内窥镜就是利用了这种性质．2．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络进入千家万户．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．(1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象． (×)(2)光密介质，是指介质的折射率大，密度不一定大． (√)(3)鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，是由于光射到气泡上发生了全反射． (√)(4)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成． (×)2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是()A．从水晶射入玻璃 B．从水射入二硫化碳C．从玻璃射入水中 D．从水射入水晶C[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，故只有C正确．]3．华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理学奖，他被誉为“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．下列关于光导纤维的说法中正确的是()A．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B．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C．波长越短的光在光纤中传播的速度越大D．频率越大的光在光纤中传播的速度越大A[光纤内芯比外套折射率大，光在内芯与外套的界面上发生全反射，A正确，B错误；频率大的光波长短，折射率大，在光纤中传播速度小，C、D错误．]光照到两种介质界面处，发生了如图所示的现象．(1)上面的介质与下面的介质哪个折射率大？(2)全反射发生的条件是什么？提示：(1)下面的介质折射率大．(2)一是光由光密介质射入光疏介质；二是入射角大于等于临界角．全反射1．对光疏介质和光密介质的理解(1)光疏介质和光密介质的比较：介质种类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．2．全反射规律(1)全反射的条件：①光由光密介质射向光疏介质．②入射角大于或等于临界角．(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)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．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，说明频率越高的色光在同一种介质中的折射率越大．【典例1】一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面．在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上．已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求平板玻璃的折射率．[思路点拨](1)由圆纸片恰好完全挡住圆形发光面的光线可确定临界角．(2)根据sinic＝1n可[解析]根据全反射定律，圆形发光面边缘发出的光线射到玻璃板上表面时入射角为临界角(如图所示)，设为h，且sinθ＝1n根据几何关系得sinθ＝L而L＝R－r联立以上各式，解得n＝1+h[答案]1+全反射定律的应用技巧(1)首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可．(2)分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键．(3)当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性．(4)认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证．[跟进训练]训练角度1全反射现象的理解1．(多选)一束光从某介质进入真空，方向如图所示，则下列判断中正确的是()A．该介质的折射率是3B．该介质的折射率是3C．该介质相对真空发生全反射的临界角小于45°D．光线按如图所示的方向入射，无论怎样改变入射方向都不可能发生全反射现象BC[上面是介质，下面是真空，入射角i＝30°，折射角r＝60°，则折射率n＝sinrsini＝sin60°sin30°＝3，故A错误，B正确；sinic＝1n＝33＜训练角度2全反射与折射定律的综合2．如图所示，半圆形透明介质的横截面，其半径为R.一束光从半圆形透明介质的左边缘以入射角60°射入透明介质，光束在半圆形透明介质的弧形面发生两次反射后刚好从半圆形透明介质的另一边缘射出．已知光在真空中传播的速度为c.求：(1)半圆形透明介质的折射率；(2)光线在半圆形透明介质中传播的时间；(3)半圆形透明介质的全反射临界角．[解析](1)由题图中几何关系可知，光束折射角r＝30°，由折射定律可知，玻璃砖的折射率n＝sinisinr(2)光线在半圆形透明介质中传播的速度v＝cn＝光线在半圆形透明介质中传播的距离L＝3R光线在半圆形透明介质中传播的时间t＝Lv＝3(3)由sinic＝1得ic＝arcsin33[答案](1)3(2)33Rc光导纤维的应用1．构造及传播原理(1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1～100μm，如图所示，它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率．(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．2．光导纤维的折射率设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：sinic＝1n，n＝sinθ1sinθ2，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得：由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝ic，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝2，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比2大些．【典例2】如图所示，一根长为l＝5.0m的光导纤维用折射率n＝2的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出来，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大；(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少．[思路点拨](1)由光导纤维的折射率可计算临界角．(2)光在光导纤维侧面上发生全反射现象，计算出光的总路程，根据光速可求出传播时间．[解析](1)由n＝cv可得v≈2.1×108(2)由n＝sinθ1sinθ2可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射．同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面．由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝2l3，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝[答案](1)2.1×108m/s(2)2.7×10-8s光导纤维问题的解题关键第一步：抓关键点．关键点获取信息光导纤维工作原理：全反射光束不会侧漏光束在侧壁发生全反射第二步：找突破口．“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题．[跟进训练]3．光纤通信是一种现代化的通信手段，它可以为客户提供大容量、高速度、高质量的通信服务，为了研究问题方便，我们将光导纤维简化为一根长直玻璃管，如图所示．设此玻璃管长为L，折射率为n.已知从玻璃管左端面射入玻璃内的光线在玻璃管的侧面上恰好能发生全反射，最后从玻璃管的右端面射出．设光在真空中的传播速度为c，则光通过此段玻璃管所需的时间为()A．n2LcB．n2Lc2A[用C表示临界角，则有sinC＝1n，则光在玻璃管中的传播速度为v＝cn.光在沿玻璃管轴线的方向上做匀速传播，所用时间为t＝Lvcosπ2-C1．(2022·浙江6月选考)如图所示，王亚平在天宫课堂上演示了水球光学实验，在失重环境下，往大水球中央注入空气，形成了一个空气泡，气泡看起来很明亮，其主要原因是()A．气泡表面有折射没有全反射B．光射入气泡衍射形成“亮斑”C．气泡表面有折射和全反射D．光射入气泡干涉形成“亮纹”C[当光从水中射到空气泡的界面处时，一部分光的入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象；还有一部分光折射到内壁然后再折射出去，所以水中的空气泡看起来比较亮．故选C.]2．(2022·江苏南京市宁海中学高二期中)光纤通信具有传输容量大，保密性好等优点．光导纤维由内芯和外套两层组成，光从一端进入，从另一端传出，下列说法正确的是()A．内芯的折射率应小于外套的折射率B．光在光纤内的波长等于光在空气中的波长C．红光在光纤内的传播速度比紫光大D．以相同入射角从端面入射时，红光在光纤内的传播路程比紫光短C[光在内芯与外套界面发生全反射，由全反射的条件可知，内芯应为光密介质，所以内芯的折射率应大于外套的折射率，A错误；内芯折射率大于空气的折射率，根据v＝cn，可知光在光纤内部的光速小于在空气中的速度，根据v＝λf，频率不变，得光在光纤内的波长小于光在空气中的波长，B错误；根据v＝cn，由于红光相对折射率较小，得红光在光纤内的传播速度比紫光大，C正确；红光的频率小于紫光，介质相对于红光的折射率较小，红光在介质中的偏折程度较小，由几何关系可知红光在光纤内的传播路程比紫光长，D3．(2022·上海市嘉定区第一中学高二期中)两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为θ1、θ2，已知θ1＞θ2，用n1、n2分别表示水对两种单色光的折射率，v1、v2分别表示两种单色光在水中的传播速度，则()A．n1＜n2，v1＜v2 B．n1＜n2，v1＞v2C．n1＞n2，v1＜v2 D．n1＞n2，v1＞v2B[根据光的全反射，临界角与折射率的关系sinθ＝1n，则有n＝1sinθ，因θ1＞θ2，所以n1＜n2；光在水中的传播速度v＝cn，因为n1＜n2，所以v1＞v4．如图所示，口径较大、充满水的薄壁圆柱形浅玻璃缸底有一发光小球，则()A．小球必须位于缸底中心才能从侧面看到小球B．小球所发的光能从水面任何区域射出C．小球所发的光从水中进入空气后频率变大D．小球所发的光从水中进入空气后传播速度变大D[小球发出的光先从水中传播，然后再射入空气中，故我们从侧面就可以看到小球，故A错误；由于光从水中射入空气中，故当入射角大于临界角时，光会发生全反射，故球所发的光不是从水面任何区域都能够射出的，故B错误；光从水中进入空气后频率不变，由于折射率变小，故光的传播速度变大，故C错误，D正确．]5.如图所示，AB为光导纤维，A、B之间距离为s，使一光脉冲信号从光导纤维中间入射，射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射，由A点传输到B点所用时间为t，求光导纤维所用材料的折射率n.[解析]设介质的折射率为n，则有sinα＝sinC＝1n n＝cv t＝ssinαv＝由以上三式解得t＝scn·1n＝s[答案]ct回顾本节内容，自主完成以下问题：1．全反射的条件？提示：光由光密介质射向光疏介质，入射角大于或等于临界角．2．不同色光临界角不同，哪种色光最容易发生全反射？提示：紫光．3．光导纤维的传播原理？提示：光从一端进入，经过多次全反射，从另一端射出，再将光信号转换成电信号，传播声音和图像．课时分层作业(十三)光的全反射与光纤技术考点一对全反射的理解1．(多选)下述现象哪些是由于全反射造成的()A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮B．直棒斜插入水中时呈现弯折现象C．口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可即D.在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮ACD[露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下在部分位置发生全反射，所以格外明亮，故A正确；直棒斜插入水中时呈现弯折现象是由于光的折射，故B错误；口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，是折射和全反射形成的现象，故C正确；盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮，是由于发生了全反射，故D正确．]2．(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．光线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，在界面发生全反射CD[全反射是当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于等于临界角时发生的现象，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质．光从水或玻璃射向气泡时，一部分光线在界面发生了全反射，即反射光增强，透射光减弱，就使气泡看起来特别亮，A、B错误，C、D正确．]3．(多选)如图所示，一束平行光从真空射向一块半圆形的玻璃砖，下列说法正确的是()A．只有圆心两侧一定范围内的光线不能通过玻璃砖B．只有圆心两侧一定范围内的光线能通过玻璃砖C．通过圆心的光线将沿直线穿过玻璃砖不发生偏折D．圆心两侧一定范围外的光线将在曲面产生全反射BCD[垂直射向界面的光线不偏折，因而光束沿直线平行射到半圆面上．其中通过圆心的光线将沿直线穿过不发生偏折，入射角为零．由中心向外的光线，在半圆面上进入真空时的入射角逐渐增大并趋近90°角，折射角一定大于入射角，所以一定会发生全反射．]考点二临界角公式的分析和计算4．(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，已知入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，E、F分别为AB、BC的中点，则()A．该棱镜的折射率为3B．光在F点发生全反射C．光从空气进入棱镜，波长变小D．从F点出射的光束与入射到E点的光束平行AC[在E点作出法线可知入射角为60°，折射角为30°，折射率为3，故A正确；光在棱镜中发生反射的临界角的正弦值为33，则临界角大于30°，在F处的入射角为30°，小于临界角，不会发生全反射，故B错误；光从空气进入棱镜，频率不变，速度变小，由v＝λf知波长变小，故C正确；三棱镜两次折射使得光线都向底边偏折，不会与入射到E点的光束平行，故D错误．5．某种液体的折射率为2，距液面下深h处有一个点光源，从液面上看液面被光源照亮的圆形区域的半径为()A．12hB．hC．33hD．C[设水面上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的半径为r.如图．光线在圆形区域的边缘恰好发生全反射，入射角等于临界角C.由sinC＝1n＝12得C根据几何关系可知r＝33h，故C正确．6．已知介质对某单色光的临界角为C，则()A．此单色光在该介质中的传播速度等于在真空中的传播速度的1sinB．该介质对单色光的折射率等于1C．此单色光在该介质中的传播波长是在真空中波长的1sinD．此单色光在该介质中的频率是在真空中的1sinB[根据临界角公式sinC＝1n得n＝1sinC，故B正确；光在介质中传播速度v＝cn＝c·sinC(c是光在真空中的传播速度)，故A错误；设光在真空中与介质中波长分别为λ0和λ，由v＝cn，v＝λf，c＝λ0f，得n＝λ0λ，则得λ＝λ0sin7．有一束波长为6×10-7m的单色光从空气射入某种透明介质，入射角为45°，折射角为30°，则下列说法正确的是()A．介质的折射率是1B．这束光在介质中传播的速度是1.5×108m/sC．这束光的频率是5×1014HzD．这束光发生全反射的临界角是30°C[该介质的折射率为n＝sin45°sin30°＝2，A错误；光在介质中传播的速度是v＝cn＝3×1082m/s＝322×108m/s，该束光的频率为f＝cλ＝3×1086×10-7Hz＝5考点三光导纤维8．关于光纤的说法，正确的是()A．光纤是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大B．光纤是非常细的特制玻璃丝，但导电性能特别好，所以它比普通电线衰减小C．光纤是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，光纤是利用全反射原理来实现光的传导的D．在实际应用中，光纤必须呈笔直状态，因为弯曲的光纤是不能传导光的C[光导纤维的作用是传导光，它是直径为几微米到一百微米之间的特制玻璃丝，且由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大．载有声音、图像及各种数字信号的激光传播时，在内芯和外套的界面上发生全反射，光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点．在实际应用中，光纤是可以弯曲的，故C正确．]9.光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的．如图所示，一光导纤维内芯折射率为n1，外层折射率为n2，一束光信号与界面夹角为α由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是()A．n1>n2，α小于某一值B．n1<n2，α大于某一值C．n1>n2，α大于某一值D．n1<n2，α小于某一值A[光在内芯和外层的界面上发生全反射，则内芯的折射率n1大于外层的折射率n2，由于入射角要大于或等于临界角，所以α应小于某一值．故A正确，B、C、D错误．]10．(多选)如图所示，ABC为一玻璃三棱镜的截面，一束光线MN垂直于AB面射入，在AC面发生全反射后从BC面射出，则()A．由BC面射出的红光更偏向AB面B．由BC面射出的紫光更偏向AB面C．若∠MNB变小，最先从AC面透出的是红光D．若∠MNB变小，最先从AC面透出的是紫光BC[在AC面发生全反射后从BC面射出时，所有光线在BC面上入射角相等，由于玻璃对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大，根据折射定律得到，在BC面上的折射角红光的最小，紫光的最大，则由BC面射出的紫光更偏向AB面，故A错误，B正确；若∠MNB变小，在AC面入射角减小，由于红光的临界角最大，当入射角减小，最先不发生全反射，最先从AC面透出，故C正确，D错误．]11．(2022·辽宁卷)完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮.2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球．如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球．下列说法正确的是()A．此单色光从空气进入水球，频率一定变大B．此单色光从空气进入水球，频率一定变小C．若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射D．若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射C[光的频率是由光源决定的，与介质无关，频率不变，A、B错误；如图所示可看出光线1入射到水球的入射角小于光线2入射到水球的入射角，则光线1