4.3 光的全反射课件（49张PPT）

(共49张PPT)
第3节　光的全反射　　　　　　　　　　　
一、全反射及其产生条件
【思考】
当光从一种介质射到另一种介质表面上时,一定会发生折射现象吗
提示:不一定。有时折射光会完全消失,全部光都被反射回原来的介质中。
1.全反射的定义:光从玻璃入射到空气中时,折射角_____(选填“大于”“等
于”或“小于”)入射角,当入射角逐渐增大到一定程度时,折射光完全消失,
全部光被反射回玻璃内,这种现象称为全反射现象,简称全反射。
大于
2.临界角:刚好发生全反射时的_______,称为全反射的临界角。
3.临界角与折射率的关系:光从折射率为n的某种介质进入真空或空气时的临界
角C应满足: ,即sinC= 。
4.光疏介质和光密介质:对两种不同的介质,折射率较小的介质叫作_____介质,
折射率较大的介质叫作_____介质。
5.发生全反射的条件:
(1)光由_________射入_________;
(2)入射角_________临界角。
入射角
光疏
光密
光密介质
光疏介质
大于等于
二、对全反射现象的解释
1.解释全反射现象:
(1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮,是由于光射到气泡上发生了_______。
(2)在沙漠里,接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率小,从远处物体
射向地面的光线的入射角大于临界角时,发生_______,人们就会看到远处物体的
倒景。
全反射
全反射
2.全反射棱镜:
(1)全反射棱镜的截面为_________三角形。
(2)全反射使光线方向改变90°:如图所示,当光垂直于AB射向棱镜时,光就会沿
着入射方向进入棱镜,射到AC面上发生_______,沿着垂直BC面的方向射出棱镜,
使光的传播方向改变了90°。
等腰直角
全反射
(3)全反射使光线方向改变180°:如图所示,当光垂直于AC面射入棱镜时,在两
个直角边的界面都会发生_______,使光的传播方向改变了180°。
全反射
关键能力·素养形成
一　全反射的特点
1.判断全反射问题的方法:
(1)确定光是从光密介质进入光疏介质。
(2)明确入射角大于等于临界角。
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,随着入射角的增大,折射角也增大。同时折射光线强度减弱,即折射光线的能量减小,反射光线的能量增加,当入射角达到临界角时,折射光线消失,反射光的能量等于入射光的能量。
【特别提醒】
(1)光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而言的,只对一种介质,无法确定它是光疏介质还是光密介质。
(2)不同光的临界角:不同颜色的光由同一种介质射向空气或真空时,折射率越大的临界角越小,越易发生全反射。
【思考·讨论】
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 (科学思维)
(2)全反射发生的条件是什么 (物理观念)
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。
【典例示范】
　(2018·全国卷Ⅱ)如图,△ABC是一直角三棱镜的横截面,∠A=90°,∠B=60°,一细光束从BC边的D点折射后,射到AC边的E点,发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中点。不计多次反射。
(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角。
(2)为实现上述光路,棱镜折射率的取值应在什么范围
【解析】(1)光线在BC面上折射,由折射定律有
sin i1=nsin r1 ①
式中,n为棱镜的折射率,i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角。光线在AC面上发生全反射,由反射定律有
i2=r2 ②
式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角。
光线在AB面上发生折射,由折射定律有
nsin i3=sin r3 ③
式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角。
由几何关系得i2=r2=60°,r1=i3=30°④
F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为
δ=(r1-i1)+(180°-i2-r2)+(r3-i3) ⑤
由①②③④⑤式得δ=60°⑥
(2)光线在AC面上发生全反射,光线在AB面上不发生全反射,有
nsin i2≥nsin C>nsin i3 ⑦
式中C是全反射临界角,满足
nsin C=1 ⑧
由④⑦⑧式知,棱镜的折射率n的取值范围应为
≤n<2
答案:(1)60°　(2) ≤n<2
【素养训练】
1.(多选)如图所示,MN是介质1和介质2的分界面,介质1、2的绝对折射率分别为
n1、n2,一束细光束从介质1射向介质2中,测得θ1=60°,θ2=30°,根据你所学的
光学知识判断下列说法正确的是 (　　)
A.介质2对介质1的相对折射率为
B.光在介质2中传播的速度小于光在介质1中传播的速度
C.介质1相对介质2来说是光密介质
D.光从介质1进入介质2可能发生全反射现象
【解析】选A、B。光从介质1射入介质2时,入射角与折射角的正弦之比叫作介
质2对介质1的相对折射率,所以有n21= = ,故A正确;因介质2对介质1的
相对折射率为 ,可以得出介质2的绝对折射率大,因v= ,所以光在介质
2中传播的速度小于光在介质1中传播的速度,故B正确;介质2相对介质1来说是
光密介质,选项C错误;光从光密介质射入光疏介质时,才有可能发生全反射现象,
故D错误。
2.如图所示,光液面传感器有一个像试管模样的玻璃管,中央插一块两面反光的玻璃板,入射光线在玻璃管内壁与反光板之间来回发生反射,进入到玻璃管底部,然后在另一侧反射而出(与光纤原理相同)。当透明液体的折射率大于管壁玻璃的折射率时,就可以通过光液面传感器监测出射光的强弱来判定玻璃管是否被液体包住了,从而了解液面的高度。以下说法正确的是 (　　)
A.玻璃管被液体包住之后,出射光强度增强
B.玻璃管被液体包住之后,出射光消失
C.玻璃管被液体包住之后,出射光强度减弱
D.玻璃管被液体包住之后,出射光强度不变
【解析】选C。玻璃管被液体包住之前,由于玻璃管之外是光疏介质空气,光线发生全反射,没有光线从管壁玻璃射出。当玻璃管被透明液体包住之后,如果液体的折射率大于玻璃的折射率,光线不再发生全反射,有一部分光线进入液体,反射光的强度会减弱。玻璃管被液体包住之后,出射光强度会减弱,所以选C。
3.如图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,则该五棱镜折射率的最小值是多少 (计算结果可用三角函数表示)
【解析】由题意知,入射角α=22.5°,光线在CD面和EA面上发生了全反射,
则折射率最小值为n= 。
答案:
二　全反射棱镜的性质及应用
全反射棱镜:
(1)用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜,其临界角约为42°。
(2)改变光的传播方向:
①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全反射,光射出棱镜时,传播方向改变了90°。
②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全反射,使光的传播方向改变了180°。
(3)全反射棱镜特点:
①与平面镜相比,全反射棱镜反射率高,几乎可达100%。
②反射面不必涂任何反光物质,反射失真小。
③克服了平面镜成多个像的问题。
【思考·讨论】
图为构成“潜望镜”的关键部件——全反射棱镜中的光路图。全反射棱镜应用了什么原理 (物理观念)
提示:全反射棱镜应用了光的全反射,必须要满足光发生全反射的条件。
【典例示范】
一束很细的激光束从空气射到某透明材料的表面发生反射和折射,测得入射
光束跟折射光束之间的夹角为150°① ,折射光束跟反射光之间的夹角为90°②。
求:
(1)入射角、反射角、折射角各为多大
(2)这种透明材料的折射率为多大
(3)利用这种材料能否制成全反射棱镜。
【审题关键】
序号 信息提取
① 入射光线和折射光线之间的关系
② 折射光线和反射光线之间的关系
【解析】(1)根据题意作出激光束从空气射到该透明材料的表面发生反射和折射的光路图,
由几何知识可求得入射角为i=60°,反射角为i′=60°,折射角为r=30°;
(2)该透明材料折射率n= ;
(3)这种材料的临界角C=arcsin =arcsin 故能利用这种材料制成全反射棱镜。
答案:(1)60°　60°　30°
(2) 　(3)能
【素养训练】
1.(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
【解析】选B、C。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。故选B、C。
2.如图所示,一个棱镜的顶角为α=41.30°,一束白光以较大的入射角从棱镜的左侧面射入,在光屏上形成彩色光带,最上端是________色,各色光在棱镜中的折射率和发生全反射的临界角见表。当入射角θ逐渐减小到0°的过程中,光屏上最终剩下________种色光。根据表格中数据,某同学认为折射率与临界角的乘积不变,他的观点________(选填“正确”或“错误”)。
色光 红 橙 黄 绿 蓝 紫
折射率 1.513 1.514 1.517 1.519 1.528 1.532
临界角/° 41.370 41.340 41.230 41.170 40.880 40.750
【解析】因红光的折射率最小,经过三棱镜后偏折程度小,则最上面是红光;由表格数据看出,紫光的折射率最大,临界角最小,当入射角θ逐渐减小到零的过程中,光线射到棱镜右侧面的入射角增大,紫光的入射角最先达到临界角,发生全反射,最先消失。当入射角θ减小到零时,光线射到棱镜右侧面的入射角等于α=41.30°,小于红光与橙光的临界角,所以这两种光不发生全反射,仍能射到光屏上。故最后光屏上只剩下红、橙两种色光。由表格中的数据可知折射率与临界角的乘积是变化的,他的观点是错误的。
答案:红　两　错误
3.如图,三棱镜的横截面为直角三角形ABC,∠A=30°,∠B=60°。一束平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜,在AC边发生反射后从BC边的M点射出,若光线在P点的入射角和在M点的折射角相等,
(1)求三棱镜的折射率。
(2)在三棱镜的AC边是否有光线透出 写出分析过程。(不考虑多次反射)
【解析】(1)光路如图所示,设光线在P点的入射角为i,折射角为r,因光线平行
AC射入,所以i=60°,由折射定律得,对于P处折射有sini=nsinr,对于M处折射有
nsinr′=sini,所以r=r′,又OO′∥AC,∠MNC=r′, ∠ANP=∠MNC=r,根据三角
形的外角等于不相邻的两内角之和,得r=30°,所以n= 。
(2)发生全反射的临界角C满足sinC= ,由图可知,在N处反射的入射角
i″=60°,即sini″= ,所以入射角i″>C,符合发生全反射的条件,在AC边没
有光线透出。
答案:(1) 　(2)见解析
【拓展例题】考查内容:光在全反射棱镜中的动态分析问题
【典例】如图所示,abc为一全反射棱镜,它的主界面是等腰直角三角形。一束白光垂直入射到ac面上,在ab面上发生全反射,若光线入射点O的位置保持不变,改变光线的入射方向(不考虑自bc反射的光线),则 (　　)
A.使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转,
如果有色光射出 ab面,则红光将首先射出
B.使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转,
如果有色光射出ab面,则紫光将首先射出
C.使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转,红光将首先射出ab面
D.使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转,紫光将首先射出ab面
【解析】选A。白光垂直入射到ac面上后射到ab面上,
入射角为45°,发生全反射说明棱镜的临界角C≤45°,
这是对从红光到紫光的所有色光说的。当入射光顺时
针偏转时,在ac面上发生色散,不同色光折射率不同,
红光偏折角小,紫光偏折角大,如图所示,射到ab面上时红光入射角小,紫光入射
角大,但它们都小于45°。另一方面,棱镜对红光的临界角比紫光的临界角大,
因此,入射光顺时针逐渐偏转时,在ab面上红光的入射角将首先小于临界角而射
出ab面。如果入射光逆时针偏转,则经过ac面上的红光、紫光的入射角都大于
45°,都发生全反射而不可能从ab面射出,故A正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.如图表示光线从介质2射入介质1发生全反射的情景,下列说法正确的是 (　　)
A.介质1的折射率大于介质2的折射率,临界角小于θ
B.介质1的折射率大于介质2的折射率,临界角大于θ
C.介质2的折射率大于介质1的折射率,临界角不大于θ
D.介质2的折射率大于介质1的折射率,临界角不小于θ
【解析】选C。只有当光由折射率大的介质射入折射率小的介质时才会发生全反射,故介质2的折射率大于介质1的折射率;只有当入射角大于等于临界角时才会发生全反射。由分析知,介质2的折射率大于介质1的折射率,临界角不大于θ,故选项C符合题意,选项A、B、D不合题意。
2.酷热的夏天,在平坦的柏油公路上,你会看到在一定距离之外,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,折射率大,发生全反射
D.太阳辐射到地面,使地表温度升高,折射率小,发生全反射
【解析】选D。酷热的夏天,在平坦的柏油公路上,地面附近层的空气,温度比上层高,密度比上层小,折射率也比上层小,光从上层照射下层时发生全反射,人们会看到在一定距离之外,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,这是由于光在密度不均匀的物质中传播时发生全反射,出现的是“海市蜃楼”,但不是由光的折射造成的,故选项A不符合题意;“水面”的存在,是由于发生全反射,故选项B不符合题意;太阳辐射到地面,使地表温度升高,地面附近折射率变小,光照射时发生全反射,故选项C不符合题意,选项D符合题意。
3.一半径为R的半圆形玻璃砖放置在竖直平面上,其截面如图所示。图中O为圆心,MN为竖直方向的直径。有一束细光线自O点沿水平方向射入玻璃砖,可以观测到有光线自玻璃砖内射出,现将入射光线缓慢平行下移,当入射光线与O点的距离为d时,从玻璃砖射出的光线刚好消失。则此玻璃的折射率为 (　　)
A. 　　　　　　
B.
C.
D.
【解析】选C。根据题意可知,当入射光线与O点的距离为d时,从玻璃砖射出的
光线刚好消失,光线恰好在MN圆弧面上发生了全反射,作出光路图,如图,
根据几何知识得:sinC= ,sinC= ,
联立得:n= ,所以选C。
4.如图为用某种透明材料制成的一块柱体形棱镜的
水平截面图,FD为 圆周,圆心为O。某单色光线a从
AB面入射,入射角θ1=60°,它射入棱镜后射在BF面上
的O点并恰好不从BF面射出。求:
(1)该棱镜对单色光线a的折射率n。
(2)改用波长λ更长的单色光线b从AB面入射,入射角同样为θ1=60°时,
判断单色光线b能从BF面射出吗 说出理由。
【解析】由题意画出光路图如图所示。
(1)设光线在AB面的折射角为θ2,折射光线与OD的夹角为C,则n=
光线在BF面恰好发生全反射,则sinC=
由图可知:θ2+C=90°
联立解得n≈1.3。
(2)改用波长λ更长的单色光线b,则棱镜对单色光b的折射率n更小。
由n= ,判断,θ1相同时θ2更大;
由图判断BF面上的入射角更小,
由sinC=
判断C更大,因此单色光线b能从BF面射出。
答案:(1)1.3　(2)见解析