高中物理教科版选修3-4课件：第四章　3.光的全反射:23张PPT

课件23张PPT。3.光的全反射1.知道光疏、光密介质概念,通过实验认识光的全反射现象.
2.理解全反射的发生条件并能解释相关现象、计算有关问题.
3.初步了解光导纤维的工作原理;认识光纤技术对社会、经济、生活的重大影响.1.全反射现象
(1)光密介质与光疏介质:
对于两种介质,我们把光在其中传播速度较小的介质,即折射率较大的介质叫光密介质;光在其中传播速度较大的介质,即折射率较小的介质叫光疏介质.
(2)光的全反射:
当光从光密介质射到与光疏介质的界面时,全部被反射回原介质的现象,叫做全反射.当光从光疏介质射向光密介质,有可能发生全反射吗?
提示:不可能.当光从光疏介质射向光密介质时,折射角总是小于或等于入射角.2.全反射条件
(1)临界角:
①概念:我们把光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的入射角,叫做这种介质的临界角,常用字母C表示.(2)发生条件:①光从光密介质射向光疏介质;②入射角大于等于临界角.全反射遵守反射定律吗?
提示:遵守反射定律.3.全反射的应用——光导纤维
光导纤维简称光纤,是现代通信和网络技术中的重要材料,光纤通信利用了光在光纤中的全反射特性.探究一探究二探究三光疏介质和光密介质
(1)光疏介质和光密介质是相对而言的,并没有绝对的意义.例如:水晶(n=1.55)对玻璃(n=1.5)是光密介质,而对金刚石来说(n=2.427),就是光疏介质.
(2)光若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.
(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.
(4)光疏介质和光密介质的比较:探究一探究二探究三对光的全反射的深入理解
(1)全反射是光的折射的特殊现象,全反射现象还可以从能量变化角度加以理解.当光线从光密介质射入光疏介质,在入射角逐渐增大的过程中,反射光的能量逐渐增强,折射光的能量逐渐减弱,当入射角等于临界角时,折射光的能量已经减弱为零,发生了全反射.
(2)全反射遵循的规律:光由光密介质进入光疏介质发生全反射时,仍然遵守反射定律.有关计算仍可依据反射定律进行.
(3)光从光密介质射向光疏介质时,只要入射角大于或等于临界角C,一定会发生全反射现象.探究一探究二探究三(4)解决全反射问题的思路
①确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质.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、三角函数关系、反射定律等进行判断推理,进行动态分析或定量计算.探究一探究二探究三全反射现象的应用
1.全反射棱镜
全反射棱镜是利用全反射改变光路以便于观察.
在图中的等腰直角三角形ABC表示一个全反射棱镜的横截面,它的两直角边AB和BC表示棱镜上两个互相垂直的侧面.如果光线垂直地射到AB面上,光在棱镜内会沿原来的方向射到AC面上.由于入射角(45°)大于光从玻璃射入空气的临界角(42°),光会在AC面上发生全反射,沿着垂直于BC的方向从棱镜射出(图甲).如果光垂直地射到AC面上(图乙),沿原方向射入棱镜后,在AB、BC两面上都会发生全反射,最后沿着与入射时相反的方向从AC面上射出.生活中有许多地方都用到了这一原理,例如自行车尾灯(图丙).在光学仪器里,常用全反射棱镜来代替平面镜,改变光的传播方向.图丁是全反射棱镜应用在潜望镜里的光路图.探究一探究二探究三探究一探究二探究三2.光导纤维
光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径由几微米到100 μm不等.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,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.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.探究一探究二探究三那么当光导纤维的折射率为多少时,就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射?设光导纤维的折射率为n,当入射光线的入射角为θ1,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,则有探究一探究二探究三由图可知当θ1增大时,θ2增大,而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小,当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入纤维中的光线都能发生全【例题1】 如图所示,ABCD是两面平行的透明玻璃砖,AB面和CD面平行,它们分别是玻璃和空气的界面,设为界面Ⅰ和界面Ⅱ,光线从界面Ⅰ射入玻璃砖,再从界面Ⅱ射出,回到空气中,如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角,则(　　)
A.只要入射角足够大,光线在界面 Ⅰ 上可能发生全反射现象
B.只要入射角足够大,光线在界面 Ⅱ 上可能发生全反射现象
C.不管入射角多大,光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象
D.不管入射角多大,光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象解析:在界面Ⅰ,光由空气进入玻璃砖,是由光疏介质进入光密介质,不管入射角多大,都不能发生全反射现象,则选项C正确.
在界面Ⅱ,光由玻璃进入空气,是由光密介质进入光疏介质,但是,由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ,在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,因此入射角总是小于临界角,因此也不会发生全反射现象,选项D也正确.
答案:CD
反思发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角.【例题2】 一单色光从空气中射到直角棱镜一个面上P点,以入射角θ=60°射入棱镜,经折射后射到另一面的Q点,恰好在Q点发生全反射,如图所示.求:棱镜的折射率.解析:光路如图所示
由折射定律:反思有关全反射现象的问题,关键是理解发生全反射的条件,注意找出临界光线,并正确作出光路图,根据临界角公式和几何知识进行判断和计算.【例题3】如图所示,一根长为L的直光导纤维,它的折射率为n.光从它的一个端面射入,又从另一端面射出所需的最长时间为多少?(设光在真空中的光速为c)
点拨:(1)光导纤维是全反射现象的应用.
(2)要分析所需最长时间的条件是什么.解析:由题中的已知条件可知,要使光线从光导纤维的一端射入,然后从它的另一端全部射出,必须使光线在光导纤维中发生全反射.要使光线在光导纤维中经历的时间最长,就必须使光线的路径最长,反思光导纤维是全反射现象的应用,其构造由内芯和外套组成,内芯的折射率大于外套.与此题相关的一类求极值的问题,极值存在的条件均与全反射临界角有关.1 2 3 41关于光密介质与光疏介质,下列说法正确的是(　　)
A.密度大的介质一定是光密介质
B.玻璃的折射率较大,因此它是光密介质
C.任何介质的折射率都大于1,因此任何介质和真空相比都是光密介质
D.光在密度大的介质中受的阻力大,因此光速较小
解析:光疏介质和光密介质是从介质的光学特性来说的,和它的密度大小无关,而且光疏介质和光密介质是相对的.故选项C正确.
答案:C1 2 3 42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.下列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.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:考查光的全反射的应用.光导纤维是利用光从光密介质射入光疏介质时发生全反射的现象来传递光信息的,A项正确.
答案:A1 2 3 43已知介质对某单色光的临界角为C,则(　　) B.此单色光在该介质中的传播速度等于c·sin C(c是光在真空中的传播速度)
C.此单色光在该介质中的传播波长是在真空中波长的sin C倍该单色光由真空射入介质时,频率不发生变化,选项D错误.
答案:ABC1 2 3 4入射角60°大于临界角,故发生全反射,只有选项D正确.
答案:D