版选修3_4.ppt

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1、2 全 反 射,一、光疏介质和光密介质,较小,较大,小,小于,大于,二、全反射及其条件 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。,90,完全消失,90,入射角,2.全反射的条件: (1)光由_介质射入_介质。 (2)入射角_或_临界角。,光密,光疏,大于,等于,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(或真空)时, sinC=_。 (2)定性关系:介质的折射率越大,发生全反射

2、的临界角 _,越容易发生全反射。,越小,三、全反射的应用 1.全反射棱镜: (1)形状:截面为_三角形的棱镜。 (2)光学特性。 当光垂直于截面的直角边射入棱镜时,光在截面的斜 边上发生_,光射出棱镜时,传播方向改变了 _。,等腰直角,全反射,90,当光垂直于截面的斜边射入棱镜时,在两个直角边上 各发生一次_,使光的传播方向改变了_。,全反射,180,2.光导纤维及其应用: (1)原理:利用了光的_。 (2)构造:光导纤维是非常细的特制玻璃丝,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,全反射,【预习诊断】 1.请判断下列说法的正误。 (1)

3、入射角大于临界角就会发生全反射现象。 ( ) (2)光密介质是指密度大的介质。 ( ) (3)一种介质不是光疏介质就是光密介质。 ( ),(4)光由光疏介质射入光密介质后速度减小。 ( ) (5)光由光疏介质射入光密介质时才能发生全反射。 ( ) (6)临界角与折射率成反比。 ( ),提示:(1)。发生全反射的两个条件缺一不可,光必须从光密介质射入光疏介质。 (2)。光密介质是指折射率大的介质。 (3)。一种介质究竟是光疏介质还是光密介质是相对其他介质而言的。,(4)。光密介质的折射率大,光在其中的传播速度小。 (5)。光由光密介质射入光疏介质时才能发生全反射。 (6)。临界角随折射率的增大而

4、减小,但不是反比关系。,2.关于全反射,下列叙述中正确的是 ( ) A.发生全反射时仍有折射光线,只是折射光线非常弱 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】选C。全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质和入射角大于等于临界角,二者缺一不可,故选项B、D错误,C正确;发生全反射时,折射光线全部消失,只剩下反射光线,选项A错误。,3.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1.5) ( ),A.图乙、丙、丁 B.图乙、丁 C.图乙、丙

5、 D.图甲、丙,【解析】选B。题图甲、乙,光由空气进入玻璃,由光疏介质进入光密介质,应有12,乙正确,甲错误;题图丙、丁,光由玻璃进入空气中,sinCsin45,即C45,即入射角大于临界角,应发生全反射,丙错误,丁正确。,知识点一 全反射 探究导入: 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。,【归纳总结】 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。,(2)相对性:光疏介质、光密介质是相对的。任

6、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。 (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。,2.全反射现象: (1)全反射的条件。 光由光密介质射向光疏介质。 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,能量减小,反射光线强度增强,能量增加,当入射角达

7、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.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。,【典题过关】 【典例】(2018景德镇高二检测)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,使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 ,求sin的 值。,【正确解答】当光线在水面发生全反射时, 有sinC= 当光线从左侧射入时, 由折射定律 =n 联立式,代入数据可得sin= 答案:,【过关训练】 一束细光束由真空沿着径向射入一块半圆柱形透明体,如图甲所示,对其

8、射出后的折射光线的强度进行记录,发现折射光线的强度随着的变化而变化,如图乙的图线所示,则下列说法正确的是 ( ),A.透明体的临界角为30 B.透明体的临界角为60 C.透明体的折射率为 D.透明体的折射率为,【解析】选B。由题图乙的图线可知,当小于等于 30时,入射角大于等于60,折射光线的强度为零,光 线产生全反射现象,所以此透明体的临界角为60,故 选项A错误,选项B正确;由临界角公式sinC= ,解得 n= ,故选项C、D错误。,【补偿训练】 1.直线P1P2过均匀玻璃球球心O,细光束a、b平行且关于P1P2对称,由空气射入玻璃球的光路如图。a、b光相比 ( ),A.玻璃对a光的折射率

9、较大 B.玻璃对a光的临界角较小 C.b光在玻璃中的传播速度较小 D.b光在玻璃中的传播时间较短,【解析】选C。由题图可判断出玻璃对光束b的折射率 大于光束a,A错误;根据公式sinC= ,可知玻璃对a光 的临界角大于b光的临界角,B错误;根据公式n= ,可 知b光在玻璃中的传播速度比a光小,C正确;根据以上分 析可知,b光在玻璃中传播的距离比a光大,同时传播速 度比a光小,所以传播时间比a光长,D错误。,2.如图所示,A、B、C为等腰棱镜,a、b两束不同频率的单色光垂直AB边射入棱镜,两束光在AB面上的入射点到OC的距离相等,两束光折射后相交于图中的P点,以下判断正确的是 ( ),A.在真空

10、中,a光光速大于b光光速 B.在真空中,a光波长大于b光波长 C.a光通过棱镜的时间大于b光通过棱镜的时间 D.a、b两束光从同一介质射入真空过程中,a光发生全反射的临界角大于b光发生全反射的临界角,【解析】选C。因为两束光折射后相交于图中的P点,根 据折射定律可知a光的折射率nanb,a光的频率ab, 光在真空中的传播速度相等,A错误;由= 得B错误; 由v= 和t= 得C正确;根据sinC= 得D错误。,3.如图所示,直角三角形ABC为一三棱镜的截面,A =30。一束单色光从空气射向BC上的E点,并偏折到AB上的F点,光线EF平行于底边AC。已知入射方向与BC的夹角=30。试通过计算判断光

11、在F点能否发生全反射。,【解析】光线在BC界面的入射角1=60,折射角 2=30。 根据折射定律,得n= 由几何关系知, 光线在AB界面的入射角为3=60,因此sin3=,而棱镜对空气的临界角C的正弦值sinC= 则由 sin3sinC知,在AB界面的入射角3 C,所以光线在 F点将发生全反射。 答案:见解析,4.如图所示,一束光线从空气射入某介质,入射光线与反射光线夹角为90,折射光线与入射光线延长线间夹角为15,求:,(1)该介质的折射率。 (2)光在该介质中传播的速度。 (3)当光从介质射入空气时的临界角。,【解析】(1)由反射定律可知=,由于+=90, 故入射角=45;由图可知r+=4

12、5,由于 =15,故折射角r=30,所以该介质的折射率 n= (2)由折射率与速度的关系n= 得v= m/s=2.12108m/s,(3)光从介质射入空气时临界角的正弦值sinC= 故临界角C=45 答案:(1) (2)2.12108m/s (3)45,知识点二 光导纤维 探究导入: 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,内芯对光的折射率要比外套对光的折射率 高。请问:在制作光导纤维时,选用的材料为什么要求 内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高?,提示:光只有满足从光密介质射入光疏介质,才会发生全反射。而光导纤维要传播加载了信息的光,需要所有光在内芯中

13、经过若干次反射后,全部到达目的地,所以需要发生全反射,故内芯对光的折射率必须要比外套对光的折射率高。,【归纳总结】 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1100m,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1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= C+2=90, 由以上各式可得:sin1=,

14、由图可知:当1增大时,2增大,而从纤维射向空气中 光线的入射角减小,当1=90时,若=C,则所有进 入纤维中的光线都能发生全反射,即解得n= ,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 大些。,【典题过关】 【典例】如图所示,一根长为l=5.0m的光导纤维用折射 率n= 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,则:,(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?,【正确解答】(1)由n= 可得v=2.1108m/s。 (2

15、)由n= 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= ,因此该激光在光导纤维 中传输所经历的时间t= =2.710-8s。,答案:(1)2.1108m/s (2)2.710-8s,【过关训练】 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。以下关于光导纤维的说法正确的是 ( ),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

16、.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,【解析】选A。光导纤维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,故选项A对,选项B、C、D错误。,【补偿训练】 1.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

17、间为 ( ),【解析】选A。用C表示临界角,则有sinC= ,则光在 玻璃管中的传播速度为v= 。光在沿玻璃管轴线的方 向上做匀速传播。所用时间为t= 故A正确。,2.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sin=sinC= n= t= 由以上三式解得t= 所以n= 。 答案:,【拓展例题】考查内容:全反射中光线范围的确定 【典例】如图所示,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(图中虚线)与桌面垂直,过轴线的截面为等边三角形。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.1.5r C.2r D.2.5r,【正确解答】选C。由sinC= 即C60, 故光线首先发生全反射,作出光路图如图所示,由图中 几何关系可得rtan 60=(R+r)tan 30,故R=2r,所以 选项C正确。,