高中物理鲁科版（2019）选择性必修一 课件 4.3~4.4 光的全反射 光导纤维及其应用(共26张PPT)

(共26张PPT)
4.3　光的全反射
4.4　光导纤维及其应用
沙漠中的旅行者急于找到水源时,有时会意外地看到前方有一片晶莹的“水面”,而当他们向前走去时,“水面”却是可望而不可即,原来这就是“蜃景”。这种现象是怎样形成的呢
情景引入
1.对光疏介质和光密介质的理解
(1)光疏介质和光密介质是相对而言的.
(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)光从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角.
(4)光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不指它的密度大小.
一、对全反射的理解
2.全反射
(1)临界角：折射角为90°时的入射角称为全反射的临界角，用C表示， ＝ .
(2)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.
(3)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.
1.全反射棱镜
(1)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.
(2)全反射棱镜改变光路的两种常见情况.
如图所示.
二、全反射棱镜和光导纤维
2.光导纤维
(1)原理：内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射.
(2)优点：容量大，衰减小，抗干扰性强等.
(3)应用：光纤通讯；医学上的内窥镜.
应用全反射解决实际问题的基本方法：
(1)确定光是由光疏介质进入光密还是从光密进入光疏介质.
(2)若光由光密介质进入光疏介质时，根据＝ 确定临界角，看是否发生全反射.
(3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”.
(4)运用几何关系(如三角函数、反射定律等)进行判断推理，运算及变换.
三、全反射的定量计算
探究一 对全反射的理解
夏季的早晨,从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮,玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮,这是什么道理呢
提示：光照射露珠或经玻璃照射气泡时,一部分光会发生全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就会感觉特别明亮。
情景探究
探究二 全反射的应用
如图所示,自行车后面有尾灯,它虽然本身不发光,但在夜间行驶时,从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上,会有较强的光被反射回去,使汽车司机注意到前面有自行车。那么自行车的尾灯利用了什么原理
提示：利用了全反射原理。
对全反射的理解
1.光从介质a射向介质b，如果要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是(　　)
A.a是光密介质，b是光疏介质
B.光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度
C.光的入射角必须大于或等于临界角
D.光的入射角必须小于临界角
AC
考点探究
2.光在某种介质中的传播速度是1.5×108 m/s，光从该介质射向空气时(　　)
A.临界角是30°
B.大于或等于30°的所有角都是临界角
C.入射角大于或等于30°时都能发生全反射
D.临界角可能是60°
全反射的应用
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的全反射棱镜，下面给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生图中效果的是(　　)
解析　四个选项产生的光路效果如图所示：
由图可知B项正确.
答案　B
4.图为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图，玻璃丝长为L，折射率为n，AB代表端面.已知光在真空中的传播速度为c.
(1)为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面，求光线在端面AB上的入射角应满足的条件；
(2)求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间.
解析　(1)设光线在端面AB上C点的入射角为i，折射角为r，光路图如图所示
由折射定律有sin i＝nsin r ①
设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为α，为了使该光线可在此光导纤维中传播，应有α≥θ ②
式中θ是光线在玻璃丝内发生全反射的临界角，它满足nsinθ＝1 ③
由几何关系得α＋r＝90°④
解析　光在玻璃丝中传播速度的大小为v= ⑥
光速在玻璃丝轴线上的分量为vx＝vsin α ⑦
光线从玻璃丝端面AB传播到其另一端面所需时间为t＝ ⑧
光线在玻璃丝中传播，在刚好发生全反射时，光线从端面AB传播到其另一端面所需的时间最长，此时sin α＝ ⑨
由⑥⑦⑧⑨tmax＝ .
1.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，如果光按下面几种方式传播，可能发生全折射的是(　　)
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
随堂检测
解析 折射率相对较小的介质是光疏介质，折射率相对较大的介质是光密介质，发生全反射的条件之一是光由光密介质射向光疏介质，由此可知选项C正确。
答案 C
2.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、抗干扰性强等特点。在实际应用中，光纤是可以弯曲的，选项C正确。
答案 C
3.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)(　　)
解析 由题意知,光由光密介质射向光疏介质，由 ，得C=45°<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 D
4.水的折射率n=，当在水面下h=2 m深处放一强光源时，透光水面的形状如何 这个透光面的面积是多大
解析 透光水面为圆形，设其半径为R。如图所示，经过透光区域边缘的光线恰好发生全反射。sin C=。因为tan C=，所以R= m，所以S=πR2= m2。
答案 圆形　 m2
T
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