新教材2025版高中物理第四章光3.全反射学生用书新人教版选择性必修第一册

3．全反射新课程标准核心素养目标1.知道光的全反射现象及其产生的条件2．初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用物理观念知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念科学思维理解全反射的条件，能计算有关问题和说明相关现象科学看法与责任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必备学问·自主学习——突出基础性素养夯基一、全反射1.光疏介质和光密介质(1)光疏介质：折射率________的介质称为光疏介质．(2)光密介质：折射率________的介质称为光密介质．2．全反射(1)全反射及临界角的概念：①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________时，折射光________，只剩下反射光的现象．②临界角：刚发生全反射(即折射角等于____________)时的____________，用字母C表示．(2)全反射的条件：①光由________介质射入________介质．②入射角________或________临界角．(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(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____________，越简单发生全反射．二、全反射棱镜1．形态：截面为________三角形的棱镜．2．对光路的限制

三、光导纤维1．导光的原理：当光在有机玻璃棒内传播时，假如从有机玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生________，于是光在有机玻璃棒内沿着锯齿形路途传播．2．组成：________和外套．3．主要优点：________容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等．【思索辨析】推断正误，正确的画“√”，错误的画“×”．(1)光密介质是指密度大的介质．()(2)光由光疏介质射入光密介质后速度减小．()(3)光由光疏介质射入光密介质时才可能发生全反射．()(4)临界角与折射率成反比．()提升：关键实力·合作探究——突出综合性素养形成探究点一全反射探究总结1.全反射的条件要发生全反射，必需同时具备两个条件：(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．2．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，sinC＝1n(2)定性关系：光从光密介质射入光疏介质，光密介质的折射率越大，发生全反射的临界角就越小，越简单发生全反射．3．因为介质的折射率与光的颜色有关，所以临界角不仅与介质有关，还与光的颜色有关．典例示范例1[全反射现象的理解与推断]一束光线穿过介质1、2、3时，光路如图所示，则下列说法正确的是()A．介质1的折射率最大B．介质2是光密介质C．光在介质2中的速度最大D．当入射角由45°渐渐增大时，在2、3分界面上可能发生全反射课堂笔记例2[运用全反射计算折射率]如图为一半径为R的透亮半球体过球心O的横截面，横截面上P点到直径MN间的垂直距离为d＝22R.一细光束沿PO方向从P点入射，经过面MON恰好发生全反射．若此光束沿平行MN方向从P点入射，从圆上Q点射出，光在真空中的传播速度为c(1)透亮半球体的折射率n；(2)沿MN方向从P点入射的光在透亮半球体中的传播时间t.思维方法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．(2)若光由光密介质进入光疏介质，则依据sinC＝1n(3)依据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路图”．(4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行推断推理、运算及变换进行动态分析或定量计算．针对训练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43，为了保证表演胜利即在水面上看不到大头针，大头针末端离水面的最大距离hA．73rB．4C．34rD．3针对训练2[2024·河北卷，节选]将两块半径均为R、完全相同的透亮半圆柱体A、B正对放置，圆心上下错开肯定距离，如图所示．用一束单色光沿半径照耀半圆柱体A，设圆心处入射角为θ.当θ＝60°时，A右侧恰好无光线射出；当θ＝30°时，有光线沿B的半径射出；射出位置与A的圆心相比下移h.不考虑多次反射．求：(1)半圆柱体对该单色光的折射率；(2)两个半圆柱体之间的距离d.探究点二全反射的应用探究总结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，变更光的传播方向．光通过全反射棱镜时的几种方式：入射方式方式一方式二方式三光路图入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光线方向变更角度90°180°0°(发生侧移)2.光导纤维：用光密介质(相对外套)制成的用来传导光信号的纤维状的装置．(1)光纤原理：“光纤通信”利用了全反射原理．实际用的光导纤维是特别细的特制玻璃丝，肯定程度上可以弯折，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．(2)光纤的应用：携带着数码信息、电视图像、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．典例示范例3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．要使射到粗细匀称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？(假设光纤外套折射率与空气相同)例4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n＝1.5的全反射玻璃棱镜．下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满意题意的是()课堂笔记针对训练3[2024·上海复兴中学阶段测试](多选)如图所示，夏天，在安静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、集市、庙宇等出现在空中，沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，这就是“蜃景”．下列有关“蜃景”的说法中正确的是()A.海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B．沙面上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是景物针对训练4光导纤维是利用光传播时在其内芯与外套的界面发生全反射来传输光信号的．如图所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n，一束激光从它的左侧端面射入，又从它的右侧端面射出，调整激光束的入射方向，可测得激光束在直光导纤维中经验的最短时间为t1，最长时间为t2，求t1与t2之比．课堂检测·素养提升——突出创新性素养达标1．假如把光导纤维聚成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端，如图所示．在医学上，光导纤维可以制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部．内窥镜有两组光导纤维，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行视察．光在光导纤维中的传输利用了()A．光的全反射B．光的衍射C．光的干涉D．光的折射2．如图所示是一个用折射率n＝2.4的透亮介质做成的四棱镜的截面图．其中∠A＝∠C＝90°，∠B＝60°.现有一条光从图中所示的位置垂直入射到棱镜的AB面，A、B、C、D四个图中完整表示光行进的过程是()3．(多选)如图所示，一束光射向半圆形玻璃砖的圆心O，经折射后分为两束单色光a和b.下列推断正确的是()A．玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率B．在玻璃砖中，a光的波长大于b光的波长C．在玻璃砖中，a光的传播速度大于b光的传播速度D.渐渐增大入射角，a光将比b光先发生全反射4．如图甲所示，为探讨一半圆柱体透亮新材料的光学性质，用激光由真空沿半圆柱体的径向射入，入射光线与法线成θ角，由光学传感器CD可以探测反射光的强度．试验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变更的状况如图乙所示．光在真空中传播速度为c，则该激光在这种透亮新材料中()A．折射率为3B．传播速度为32C．θ＝0°时，反射光强度为0D．反射光的强度随θ角的增大而增大5.如图所示，一长方体透亮玻璃砖在底部挖去半径为R的半圆柱，玻璃砖长为L.一束单色光垂直于玻璃砖上表面射入玻璃砖，且覆盖玻璃砖整个上表面，已知玻璃砖对该单色光的折射率为n＝2，真空中的光速c＝3.0×108m/s，求：(1)单色光在玻璃砖中的传播速度；(2)半圆柱面上有光射出的表面积．3．全反射必备学问·自主学习一、1．(1)较小(2)较大2．(1)90°完全消逝90°入射角(2)光密光疏等于大于(3)1n二、1．等腰直角三、1．全反射2．内芯3．光纤传输思索辨析答案：(1)×(2)√(3)×(4)×关键实力·合作探究探究点一【例1】【解析】A错：由题图可知，光从介质1射入介质2中折射角大于入射角，则n1>n2.光从介质2射入介质3中折射角小于入射角，则n2<n3.光从2射向1或从2射向3时，若入射角相等，从折射角上可推断n3>n1，所以有n3>n1>n2，即介质3的折射率最大．B错：由对A的分析可知，2相对1和3是光疏介质．C对：依据公式v＝cnD错：当入射角由45°渐渐增大时，光从2到3是从光疏介质到光密介质，在此界面上不会发生全反射．【答案】C【例2】【解析】(1)设透亮半球体的临界角为C，光路如图所示：则由几何关系有：sin(90°－C)＝dR又有：sinC＝1n解得：C＝45°，n＝2.(2)光在P点的入射角i＝90°－θ＝45°，设对应的折射角为r，则sinisinr解得：r＝30°.光在透亮半球体中的传播距离L＝2Rcosr，光在透亮半球体中的传播时间t＝Lv光在透亮半球体中的传播速度v＝cn联立解得：t＝6Rc【答案】(1)2(2)6R针对训练1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sinC＝rr2+h2，又sinC＝1n答案：A针对训练2解析：(1)当θ＝60°时，A右侧恰好无光线射出，即刚好发生全反射，故临界角C＝60°由临界角公式可知sinC＝1解得n＝1sinC＝1sin(2)如图所示，当θ＝30°时，光线由A右侧射出的折射角为r，则由折射定律有n＝sin解得sinr＝33，由光路可逆可知，光线进入玻璃砖B的折射角仍为30°，所以出射点到半圆柱体Bh1＝Rsin30°＝R所以两半圆柱体圆心错开的距离为h2＝h－h1＝h－R由几何关系有sinr＝h解得d＝2(h－R2答案：(1)233(2)2(h－探究点二【例3】【解析】设激光束在光导纤维前端的入射角为θ1，折射角为θ2，折射光线射向侧面时的入射角为θ3，如图所示．折射定律n＝sin由几何关系θ2＋θ3＝90°，则sinθ2＝cosθ3由全反射临界角公式sinθ3＝1n，故cosθ3＝要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，应有θ1＝90°，sinθ1＝1，故n＝sinθ1sinθ2＝sinθ1cosθ【答案】2【例4】【解析】四个选项产生的光路效果如图所示．【答案】B针对训练3解析：沙漠里下层空气温度比上层高，故沙漠地表旁边的空气折射率从下到上渐渐增大，远处的景物发出的光线射向沙漠地表时，由于不断被折射，越来越偏离法线方向，进入下层的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回空气，人们逆着光线看去，就会看到倒立的景物，从而产生了沙漠“蜃景”现象．海面上的上层空气的温度比下层空气的温度高，故海面上的上层空气的折射率比下层空气的折射率要小，近处的景物反射的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较小的上一层的入射角增大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层返回折射率较大的下一层，从而产生“蜃景”现象．故A、C、D正确，B错误．答案：ACD针对训练4解析：激光束垂直左侧端面射入时，激光束在直光导纤维中经验的时间最短，由t1＝Lv及n＝cv，解得t1＝要使激光束在直光导纤维内经验的时间最长，就要求激光束在直光导纤维内的路程最长，这就要求每一次反射时，入射角θ最小，即入射角θ恰为临界角C.当θ＝C时，激光束的路程最长，所用时间也最长，此时激光束在沿直光导纤维方向的速度重量为vsinθ，设光速为c，由L＝(vsinC)t2及n＝cv、sinC＝1n，解得t2＝n2Lc答案：1课堂检测·素养提升1．解析：光在光导纤维中传播时，其入射角大于或等于临界角，光线只能在光导纤维中传播折射不出去，是利用了光的全反射，A正确．答案：A2．解析：光从左侧垂直射向