4-3-光的全反射(wrord教参)(教科版)

3光的全反射学习目标素养提炼1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念。2．知道全反射现象，理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象。3．了解全反射棱镜及光导纤维的工作原理和在生产、生活中的应用。物理观念：光疏介质、光密介质、全反射、临界角科学思维：全反射规律的分析科学探究：观察全反射现象科学态度与责任：全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用一、全反射现象1．光疏介质和光密介质(1)概念：两种介质比较，折射率较小的介质叫作光疏介质，折射率较大的介质叫作光密介质。(2)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。(3)相对性：光疏介质和光密介质是相对的。2．全反射光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质中传播的现象叫作全反射。二、发生全反射的条件1．临界角我们把光从某种介质射向真空或空气、折射角为90°时的入射角，称为这种介质的临界角。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)入射角大于等于临界角。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，sinC＝eq\f(1,n)。(2)定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射。[判断正误](1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象。(×)(2)密度大的介质就是光密介质。(×)(3)两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质。(√)(4)光密介质和光疏介质具有绝对性。(×)三、全反射的应用——光导纤维1．光导纤维对光的传导原理利用了全反射原理。2．光导纤维的构造光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成。内芯的折射率比外套的折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。3．光导纤维的应用——光纤通信光纤通信，就是把载有声音、图像和各种数字信号的激光从光纤的一端输入，沿着光纤传到另一端去。4．光纤通信的主要优点容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输质量高。[思考](1)炎热的夏天，在公路上有时能看到远处物体的倒影，这是一种什么现象？提示：是一种蜃景现象，是由光的全反射造成的。(2)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。要点一对全反射的理解[情景探究](1)如图所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上。逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化。在入射角逐渐增大时，折射角的大小及反射光线和折射光线的亮度如何变化？提示：逐渐增大入射角，会看到折射光线离法线越来越远，折射角逐渐增大。折射光线越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线。(2)若光由空气射入玻璃，当入射角增大时，是否能够发生全反射现象？提示：不能，光只有从折射率较大的介质射入折射率较小的介质时，才能发生全反射现象。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，谁是光密介质。2．全反射现象(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)从能量角度来理解全反射：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，同时折射光线强度减弱，即折射光线能量减小，反射光线强度增强，能量增加；当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。3．临界角(1)定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角称为全反射的临界角，用C表示。(2)表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰好等于90°，n＝eq\f(sin90°,sinC)，即sinC＝eq\f(1,n)。[典例1]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，如图所示，该材料的折射率是多少？[解析]如题图所示，根据折射定律得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)[规律总结]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才能发生全反射。(2)入射角大于或等于临界角才能发生全反射。(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，且在作光路图时比例应与实际相符，这样更有利于问题的分析。针对训练1．某种介质对空气的折射率是eq\r(2)，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是(图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质)()解析：由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sinC＝eq\f(1,n)＝eq\f(1,\r(2))，得C＝45°＜θ1＝60°，故在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故选项D正确。答案：D2．一厚度为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。解析：如图，从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线射到玻璃上表面A′点恰好发生全反射，则有sinC＝eq\f(1,n)又由几何关系有sinC＝eq\f(L,\r(L2＋h2))其中L＝R－r联立以上各式解得n＝eq\f(\r(L2＋h2),L)＝eq\r(1＋\f(h,R－r)2)。答案：eq\r(1＋\f(h,R－r)2)要点二全反射的应用[情景探究](1)如图所示，已知玻璃的折射率为1.5，甲图中当光线垂直BC面入射时，光线到达AC面的入射角是多少，能否发生全反射？乙图中当光线垂直AC面入射时，光线到达AB面的入射角是多少，能否发生全反射？提示：光线到达AC面的入射角为45°，能发生全反射。光线到达AB面的入射角为45°，能发生全反射。(2)如图所示是光导纤维的结构示意图，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成。构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？提示：内芯的折射率大。因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端。1．全反射棱镜的作用及应用(1)作用：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，全反射棱镜是一种特殊的棱镜，在光学仪器中用来改变光的方向。(2)应用：对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像。2．光导纤维(1)光导纤维的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。如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传播图像了。(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sinC＝eq\f(1,n)，n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sinθ1＝eq\r(n2－1)。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90°－θ2减小，当θ1＝90°时，若90°－C＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝eq\r(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，因此实际内芯的折射率要比eq\r(2)大些。[典例2]如图所示，一根长为l＝5.0m的光导纤维是用折射率n＝eq\r(2)的材料制成的。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，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v；(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间。[思路点拨]光在光导纤维中的传播路径怎样？其光路的总长度多大？[解析](1)由n＝eq\f(c,v)可得v≈2.1×108m/s。(2)由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)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，其光路如图所示。由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝eq\f(2l,\r(3))，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝eq\f(s,v)≈2.7×10－8s。[答案](1)2.1×108m/s(2)2.7×10－8s[规律总结](1)发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角。(2)光导纤维利用了光的全反射，所以内芯的折射率一定大于外套的折射率。针对训练3.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n＝1.5的全反射玻璃棱镜。下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图。其中能产生图中效果的是()解析：四个选项的光路图如图所示：可知B正确。答案：B4.(多选)光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，如图所示，其中内芯的折射率为n1，外套的折射率为n2，下面说法正确的是()A．内芯和外套的折射率应满足n1＞n2B．内芯和外套的折射率应满足n1＜n2C．从左端面入射的光线，其入射角θ必须大于某值，全部光才能被传导D．从左端面入射的光线，其入射角θ必须小于某值，全部光才能被传导解析：光纤通信是利用光的全反射原理来工作的，光只有从光密介质进入光疏介质中时，才能发生全反射，因而内芯和外套的折射率应满足n1＞n2。从题图中看由左端面入射的光线，其入射角越小，进入介质后，在内芯与外套的界面上入射角越大，越易发生全反射，故A、D正确。答案：AD科学态度与责任——应用全反射科学解释“蜃景”1．海市蜃楼(1)气候条件：当大气比较平静且海面与上层空气温差较大时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小。因海面上的空气温度比空中低，空气的下层比上层折射率大，我们可以粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层，如图所示。(2)光路分析：远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越来越大，当光线的入射角大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较大的下一层。(3)虚像的形成：当光线进入人的眼睛时，人总认为光是从其反向延长线方向发射而来的，所以地面附近的观察者就可以观察到虚像，且虚像成像于远处的半空中，这就是海市蜃楼，如图所示。2．沙漠蜃景夏日的正午烈日当头，沙漠表面被晒得非常热，其温度很快上升，使得沙漠地表处温度很高，故大气层下层空气密度小而上层空气密度逐渐增大，则从沙漠地面向上的空气的折射率由小到大连续变化。从远处物体或蓝色天空斜射向地面的光线进入折射率逐渐减小的热空气层被折射后，其折射角大于入射角且折射角与入射角均逐渐增大，使其传播方向总要向上偏一些，而且入射光线还可能在沙漠地面附近发生全反射。由于人眼不能看到光线的曲折，而是按直线追溯进入人眼中的光线射来的方向看到物体，所以人看到这些光线好像是由他的前方射来的，于是人们就看到前方远处物体的倒影或者感觉到前方的沙漠中出现了一片蔚蓝发光的湖面(实际上是天空的虚像)，如图所示，这就是“沙漠蜃景”形成的光路图。[典例]如图所示，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，因而叫作“海市蜃楼”，也叫蜃景。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错误的是()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[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，选项A正确；由于人眼认为光线是沿直线传播的，故a是蜃景，b是景物，选项C正确；太阳照到沙面上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小，即上层折射率大，选项B错误；从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射，人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒影，故c是蜃景，d是景物，选项D正确。[答案]B1．关于全反射，下列叙述正确的是()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．光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象D．光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象解析：发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以选项A错误；发生全反射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，二者缺一不可，所以选项B、D错误，C正确。答案：C2．(多选)下列说法正确的是()A．因为水的密度大于酒精的密度，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解析：因为水的折射率为1.33，酒精的折射率为1.36，所以水对酒精来说是光疏介质，故A错，B对；由v＝eq\f(c,n)可知，光在光密介质中的速度较小，故C错，D对。答案：BD3．一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，下图中能正确描述其光路的是()解析：光从空气进入玻璃时，在分界面上会发生折射，且折射角小于入射角，故B、D错误；光从玻璃进入空气时折射角应大于入射角，故C错误；光从玻璃射向空气，若满足入射角大于等于临界角的情况，则会发生全反射，故A正确。答案：A4.一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯，如图所示为过轴线的截面图，调整入射角α，光线恰好在水和空气的界面上发生全反射。已知水的折射率为eq\f(4,3)，求sinα的值。解析：当光线在水面发生全反射时，有sinC＝eq\f(1,n)，当光线从左侧射入玻璃杯时，由折射定律有n＝eq\f(sinα,sin\f(π,2)－C)，联立以上两式并代入数据可得sinα＝eq\f(\r(7),3)。答案：eq\f(\r(7),3)[基础达标练]1．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解析：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、抗干抗性强等特点；在实际应用中，光纤是可以弯曲的，故选C。答案：C2．(多选)当光从光密介质射向光疏介质时()A．反射光线的强度随入射角的增大而减小B．折射光线的强度随入射角的增大而减小C．当入射角等于临界角时，折射光线的强度等于零D．当入射角等于零时，反射光线的强度等于零解析：当光从光密介质射向光疏介质时，反射光线的强度随入射角的增大而增大，折射光线的强度随入射角的增大而减小，当入射角等于临界角时，光线恰好发生全反射，故折射光线的强度等于零。答案：BC3．下列选项为光线由空气进入全反射玻璃棱镜再由棱镜射入空气的光路图。可以发生的是()解析：光垂直等腰直角三角形的某直角边射入玻璃棱镜时，在斜边发生全反射，故A正确。答案：A4.(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的分界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ。光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，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Ⅱ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Ⅱ上都不可能发生全反射现象解析：在界面Ⅰ，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，都不能发生全反射现象，选项A错误，C正确；在界面Ⅱ，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Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项B错误，D正确。答案：CD5．酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到一定距离之外，地面显得格外明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影，但当你靠近“水面”时，它也随你靠近而后退。对此现象正确的解释是()A．出现的是“海市蜃楼”，是由于光的折射造成的B．“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉C．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率增大，发生全反射D．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率减小，发生全反射解析：酷热的夏天地面温度高，地表附近空气的密度小，空气的折射率下小上大，远处车、人反射的太阳光由光密介质射入光疏介质发生全反射，故D正确。答案：D6.(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分别为边AB、BC的中点，则()A．该棱镜的折射率为eq\r(3)B．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点的光束平行解析：在E点作出法线可知入射角为60°，折射角为30°，故折射率为eq\r(3)，故A正确；由光路的可逆性可知，在BC边上的入射角小于临界角，不会发生全反射，故B错误；由λ介＝eq\f(λ空气,n)可知C正确；由几何关系知，在F点入射角为30°，折射角为60°，出射光束不会与入射到E点的光束平行，故D错误。答案：AC7.如图所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧状，一细束单色光由MN端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF上发生全反射，然后垂直PQ端面射出。(1)求该玻璃棒的折射率；(2)若将入射光向N端平移，当第一次射到弧面EF上时________(选填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射。解析：(1)因为一细束单色光由MN端面中点垂直射入，所以到达弧面EF界面时入射角为45°，又因为恰好发生全反射，所以临界角C等于45°，由sinC＝eq\f(1,n)可知，该玻璃棒的折射率n＝eq\f(1,sinC)＝eq\r(2)。(2)如图所示，若将入射光向N端平移，第一次射到弧面EF上的入射角将增大，即大于临界角45°，所以能发生全反射。答案：(1)eq\r(2)(2)能[能力提升练]8.如图所示，ABC是半径为R的圆弧形光屏，ADC则是半径为R的圆弧形轨道，它们的圆心均为O，直线AOC是它们的直径。在光屏和轨道的中央安装半圆形玻璃砖，玻璃砖的平直面与直径AOC重合，在轨道ADC上安装光源P，从光源射出的光线沿着半圆形玻璃砖的半径射到它平直面上的中点O，在轨道上移动光源P可以改变入射光线PO与CO之间的夹角θ。现有两块尺寸相同，折射率不同的玻璃砖，在保持θ角相同时，分别安装甲、乙玻璃砖，折射光线分别射至光屏上M点和N点，则下列说法中正确的是()A．甲玻璃砖的折射率小于乙玻璃砖的折射率B．光在OM段的传播速度小于光在ON段的传播速度C．光线沿P→O→M的传播时间大于光线沿P→O→N的传播时间D．移动光源P逐渐增大θ角，则折射光线将会从光屏上消失解析：在保持θ角相同时，分别安装甲、乙玻璃砖，折射光线分别射至光屏上M点和N点，可以看出M的偏折程度较大，即甲玻璃砖的折射率较大，则光在甲玻璃中的传播速度v＝eq\f(c,n)较小，则光在甲玻璃砖中的传播时间较长，而光在OM段与光在ON段的传播速率相同，都为c，故光在OM段、ON段的传播时间相等，故A、B错误，C正确；移动光源P逐渐增大θ角，入射角减小，不会发生全反射，故D错误。答案：C9.如图所示为单反照相机取景器的示意图，ABCDE为五棱镜的一个截面，AB⊥BC。光线垂直AB射入，分别在CD和EA上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光线垂直BC射出。若两次反射都为全反射，则该五棱镜的折射率()A．最小值为eq\r(2) B．最大值为eq\r(2)C．最小值为eq\f(1,sin22.5°) D．最大值为eq\f(1,sin22.5°)解析：设入射到CD面上的入射角为θ，因为在CD和EA上发生全反射，且两次反射的入射角相等，根据几何关系有4θ＝90°，解得θ＝22.5°；由sin