2021-2022学年鲁科版（2019）高中物理选择性必修第一册4.3 光的全反射 学案

第3节 光的全反射 学案
学习目标：
1.知道光疏介质和光密介质，理解它们的相对性.
2.理解光的全反射，会利用全反射解释有关现象.
3.理解临界角的概念，
基础知识：
一、全反射及其产生条件
1．全反射
光从玻璃射入到空气中时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光都被反射回玻璃内，这种现象称为全反射现象．
2．临界角
刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角．用字母C表示，光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是sin C＝.
3．光疏介质和光密介质
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．
4．全反射的条件
(1)光从光密介质射入光疏介质．
(2)入射角大于等于临界角．
二、全反射现象
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全反射．
(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，发生全反射，人们就会看到远处物体的倒影．
2．全反射棱镜
(1)全反射棱镜是截面为等腰直角三角形的棱镜。
(2)全反射棱镜的特点
①当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高。
②反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小。
(3)全反射棱镜改变光路的两种常见情况。如图甲、乙所示。
重难点理解：
一、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
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。
(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.全反射现象的理解
(1)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。
(2)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。
典例1、某种介质对空气的折射率是，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)(　　)
答案　D
解析　由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sin C＝＝，得C＝45°＜θ＝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．
典例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)由图中几何关系可知，光束折射角r＝30°，由折射定律，玻璃砖的折射率n＝＝.
(2)光线在半圆形透明介质中传播的速度v＝＝.
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＝＝.
(3)由sin C＝ 得C＝arcsin.
[答案]　(1)　(2)　(3)arcsin
二、全反射棱镜
(1)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，改变光的传播方向。
(2)光通过全反射棱镜时的几种方式。
　入射方式 项目 方式一 方式二 方式三
光路图
入射面 AB AC AB
全反射面 AC AB、BC AC
光线方向 变角度 90° 180° 0°(发生侧移)
典例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(　　)
答案　B解析　四个选项的光路图如图所示：
可知B项正确．
巩固练习：
1．如图，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，能正确描述其光路的是(　　)
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
3.如图所示，在空气中，一束单色光由两面平行的玻璃板的a表面射入，从b表面射出，则以下说法中正确的是(　　)
A.出射光线不一定与入射光线平行
B.随着θ角的增大，光可能在a表面发生全反射
C.随着θ角的增大，光可能在b表面发生全反射(θ<90°)
D.无论如何改变θ角，光线从a表面射入，不可能在b表面发生全反射
4.自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来自后面的光线反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率n>)组成，棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜，先后经过AC边和CB边反射后，从AB边的O′点射出，则出射光线是(　　)
A.平行于AC边的光线①
B.平行于入射光线的光线②
C.平行于CB边的光线③
D.平行于AB边的光线④
参考答案：
1.A．2.C　3.　D 4.　B