4.2、4.3 光的全反射 光导纤维及其应用 课件(1)

课件59张PPT。第2节　光的全反射
第3节　光导纤维及其应用 核心要点突破课堂互动讲练课前自主学案知能优化训练课标定位第
3
节　课标定位
学习目标：1.理解光的全反射现象，会解释与全反射有关的一些现象．
2．知道全反射的条件，能应用全反射条件解决有关问题．
3．初步了解光导纤维的工作原理和光纤在生产、生活中的应用．
4．认识光纤技术对经济社会生活的重大影响，体会科学技术对社会进步的作用．
重点难点：1.判断是否发生全反射，并进行有关计算．
2．对全反射现象的解释．课前自主学案一、全反射及其产生条件
1．光疏介质和光密介质
对两种不同的介质，折射率____的介质叫做光疏介质，折射率____的介质叫做光密介质．
2．全反射
光从____介质射向____介质时，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质的现象．较小较大光密光疏3．临界角
(1)概念：刚好发生全反射(即折射角等于___)时的入射角．用字母C表示．
(2)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＝__(公式)．
②定性关系：介质折射率越大，发生全反射的______越小，越容易发生全反射．90°临界角4．发生全反射的条件是：(1)光由________射入________；
(2)入射角________临界角．
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______．光密介质光疏介质大于等于全反射(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___，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．
2．全反射棱镜
(1)形状：截面为________三角形的棱镜．小全反射等腰直角(2)光学特性
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______，光射出棱镜时，传播方向改变了___.
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______，使光的传播方向改变了___.
③全反射棱镜的反射性能比镀银的平面镜更好．全反射90°全反射180°思考感悟
能否用折射率为1.25的透明材料制成截面为等腰直角三角形的全反射棱镜？三、光导纤维及应用
1．光导纤维是由折射率___的玻璃内芯和折射率___的外层透明介质组成的．
2．(1)光纤通信是光导纤维的一个重要应用，光纤通信先将声音信号转换为______，利用光纤把______输出；到接收端再将______还原为________．大小光信号光信号光信号声音信号(2)光导纤维的优点：质地轻、弯曲自如、传光效率高、抗机械振动、耐腐蚀性好、能量损耗小、抗干扰能力强、保密性好等．核心要点突破一、全反射的理解
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，不是绝对的．同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的．
例如，水晶(n＝1.55)对玻璃(n＝1.5)是光密介质，而对金刚石(n＝2.42)来说，就是光疏介质．(2)光从光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角；反之，光从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角．
(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(n＝1.36)和水(n＝1.33)相比，酒精的折射率大，是光密介质．
介质的疏密是相对的，而介质的密度大小是绝对的．(4)光疏介质和光密介质的比较
光疏介质和光密介质的比较表特别提醒：任何两种透明介质都可以通过比较光在其中的传播速度的大小或折射率的大小，判断哪个是光疏介质，哪个是光密介质．2．对全反射现象的分析
(1)全反射现象
光由光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角．当入射角增大，反射光增强，折射光减弱，继续增大入射角，当折射角达到90°时，折射光全部消失，入射光全部被反射回原介质，当入射角再增大时，入射光仍被界面全部反射回原介质，这种现象叫全反射．(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．同时折射光强度减弱，即折射光能量减小，反射光强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光强度减弱到零，入射光的能量全部集中到反射光．即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．(2010年高考山东卷)如图4－2－1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形状，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．图4－2－1(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________(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射．解析：(1)如图所示，单色光照射到EF弧面上时恰好发生全反射，由全反射的条件可知C＝45°二、常见全反射现象及解释
1．对“海市蜃楼”的解释
(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4－2－2所示．图4－2－2(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”的景象．2．对“沙漠蜃景”的解释
(1)气候条件：夏天在沙漠里也会看到蜃景，太阳照到沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小．
(2)光路分析：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．(3)虚像的形成：人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒景(如图4－2－3)，仿佛是从水面反射出来的一样．沙漠里的行人常被这种景象所迷惑，以为前方有水源而奔向前去，但总是可望而不可及．图4－2－33．炎热夏季的柏油马路路面看起来特别亮
在炎热夏季的柏油马路(或高速公路)上，会看到远一点的路面上特别亮，像洒了水一样湿漉漉的．这是因为贴近热路面附近的空气层稀薄，比上层空气的折射率小．从远处射向路面的光线，也可能发生全反射，从远处看去，路面就像用水淋过一样，显得格外明亮光滑．沙漠中行走的人在夏季会看到远方特别亮，就像有湖泊一样，与柏油马路面看起来特别亮道理相同．4．水或玻璃中的气泡特别明亮
水或玻璃中的物体能被我们看见，是因为光照射物体时，有一部分光被物体反射，其中的一部分进入人的眼睛，引起视觉的缘故．水或玻璃中的气泡对于水或玻璃来说是光疏介质，光经水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对水或玻璃中的物体而言，有更多的光反射到人的眼睛中，光的能量大了，人眼会感觉特别明亮．海面上泛起的浪花看上去是白色的也是这个道理．特别提醒：解释生活中常见全反射问题，关键是确定以下两点：
①哪部分是光疏介质，哪部分是光密介质．
②入射光的来源和观察者的位置．即时应用(即时突破，小试牛刀)
2．夏天，海面下层空气的温度比上层低，我们设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平空气层组成的，远处的景物发出的或反射的光线由于不断折射，越来越偏离法线方向，人们逆着光线看去就出现了海市蜃楼，如图4－2－4所示，下列说法中正确的是(　　)图4－2－4A．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
B．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要大
C．海市蜃楼是景物的实像
D．B是海市蜃楼，A是景物解析：选A.因为海面上层空气相对下层空气为光疏介质，则海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小，故A正确；B错误；由于人的视觉总是认为光沿直线传播，观察到的是虚像，故C、D错误．三、光导纤维
1．构造及传输原理
光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1 μm～10 μm左右．如图4－2－5所示，它是由内芯和外层两层组成，内芯的折射率大于外层的折射率，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．图4－2－5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，就可以传输图像．2．光导纤维的折射率
设光导纤维的折射率为n，当入射光线入射角为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4－2－6所示，则有：图4－2－6课堂互动讲练 如图4－2－7，光线由空气透过半圆形玻璃砖的光路图中，正确的是(玻璃的折射率为1.5)(　　)图4－2－7A．图乙、丁　　　　　　　B．图甲、丁
C．图乙、丙 D．图甲、丙【答案】　A
【方法总结】　正确运用全反射的条件，画出光路图，求出临界角，再判断是否能发生全反射，是解决全反射问题的关键．变式训练1　(2011年南京六中高二期末)
如图4－2－8所示，MM′是两种介质的界面，A是入射光线，B是反射光线，C是折射光线，O是入射光线的入射点，NN′是法线，i是入射角，r是折射角，且i>r.则下列判断正确的是(　　)图4－2－8A．i逐渐增大时r也逐渐增大，有可能发生全反射现象
B．i逐渐减小时r也逐渐减小，有可能发生全反射现象
C．i逐渐增大时r将逐渐减小，有可能发生全反射现象
D．i逐渐增大时r也逐渐增大，但不可能发生全反射现象解析：选D.由题图可知入射角i大于折射角r，光线由光疏介质射入光密介质，不可能发生全反射；由折射定律可知，i逐渐增大时r也逐渐增大．故选D.图4－2－9一束与MN平面成45°的平行光束射到玻璃的半圆柱面上，经玻璃折射后，有部分光能从MN平面上射出，求能从MN射出的光束的宽度为多少？
【自主解答】　如图4－2－10所示，进入玻璃中的光线①垂直于半球面，沿半径方向直达球心位置O，且入射角等于临界角，恰好在O点发生全反射．图4－2－9光线①左侧的光线(如光线②)经球面折射后，射在MN上的入射角一定大于临界角，在MN上发生全反射，不能射出．光线①右侧的光线经半球面折射后，射到MN面上的入射角均小于临界角，能从MN面上射出．图4－2－10变式训练2　(2010年高考课标全国卷)
如图4－2－11所示，一个三棱镜的截面为等腰直角△ABC，∠A为直角．此截面所在平面内的光线沿平行于BC边的方向射到AB边，进入棱镜后直接射到AC边上，并刚好能发生全反射．该棱镜材料的折射率为(　　)图4－2－11 在光导纤维的端面上入射光满足什么条件，才能使光在光导纤维中不断发生全反射，从一端传到另一端？(设光纤外层材料的折射率为1)【精讲精析】　设当入射角为i时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图4－2－12所示，则有：图4－2－12【答案】　见精讲精析
【方法总结】　光导纤维是全反射现象的应用之一，正确理解“光在光导纤维中不断发生全反射”，画出临界光线，求解临界角是解决问题的关键．变式训练3　光导纤维的结构如图4－2－13，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(　　)图4－2－13A．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．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.光导纤维的内芯折射率大于外套的折射率，光在由内芯射向外套时，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，故A正确．