高中物理人教版选修3-4 学案 第十三章 第2节 全反射 Word版含解析

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名称 高中物理人教版选修3-4 学案 第十三章 第2节 全反射 Word版含解析
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文件大小 589.0KB
资源类型 教案
版本资源 人教版(新课程标准)
科目 物理
更新时间 2019-12-27 10:43:42

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文档简介

第2节 全反射
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念。
2.理解全反射的条件,能计算有关问题和解释相关现象。
3.了解全反射棱镜和光导纤维的工作原理以及在生产、生活中的应用。
一、全反射
1.光疏介质和光密介质
2.全反射
(1)概念:当光从光密介质射入光疏介质时,同时发生折射和反射,当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象叫做全反射。
(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。
(3)发生全反射的条件
①光从光密介质射入光疏介质。
②入射角等于或大于临界角。
(4)临界角与折射率的关系
当光由介质射入空气(真空)时,sinC=。
二、全反射棱镜
截面为等腰直角三角形的棱镜叫做全反射棱镜,其作用是改变光的传播方向。
三、光导纤维
1.原理
利用了全反射的原理。
2.构造
光导纤维直径只有几微米到一百微米,由内芯和外套两层组成,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。
判一判
(1)密度大的介质就是光密介质。(  )
(2)两种介质相比较,折射率大的介质是光密介质。(  )
(3)光密介质和光疏介质具有绝对性。(  )
(4)截面是三角形的棱镜是全反射棱镜。(  )
(5)全反射棱镜和平面镜都是利用了光的全反射原理。(  )
(6)光在光纤中传播时,在内芯和外套的界面上发生全反射。(  )
(7)光纤通信的主要优点是容量大。(  )
提示:(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√
想一想
(1)只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质?
提示:不能。光密介质、光疏介质是对确定的两种介质的折射率相比较而确定的,只有一种介质是无法比较折射率的,从而无法确定它是光疏介质还是光密介质。
(2)为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮?
提示:水或玻璃中的气泡相对水或玻璃是光疏介质,光经过水或玻璃照射气泡时,一部分光会发生全反射,相对于其他物体而言,有更多的光反射到人眼中,就好像光是由气泡发出的,因此人眼感觉水或玻璃中的气泡特别明亮。
(3)微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂,光纤为什么要由两层介质构成?
提示:光纤的工作原理是全反射,要由两种介质配合才能产生全反射现象。
课堂任务 全反射
1.光疏介质和光密介质
不同介质的折射率不同,我们把折射率较小的介质称为光疏介质,折射率较大的介质称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。
2.全反射
(1)全反射及临界角的概念
①全反射:当光从光密介质射入光疏介质时,同时发生折射和反射,当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象叫做全反射。如图所示。
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。
(2)全反射的条件
要发生全反射,必须同时具备两个条件:
①光从光密介质射入光疏介质。
②入射角等于或大于临界角。
(3)临界角与折射率的关系
①定量关系:光由介质射入空气(或真空)时,sinC=。
②定性关系:光从光密介质射入光疏介质,光密介质的折射率越大,发生全反射的临界角就越小,越容易发生全反射。
(4)从能量角度理解全反射
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,即反射光能量增大,当入射角达到临界角时,折射光强度减小到零,反射光的能量等于入射光的能量。
(5)因为介质的折射率与光的颜色有关,所以全反射临界角不仅与介质有关,还与光的颜色有关。
例1 (多选)如图所示,ABCD是两面平行的透明玻璃砖,AB面和CD面是玻璃和空气的界面,分别设为界面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
(1)在界面Ⅰ上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?能发生全反射吗?
提示:在界面Ⅰ上光由光疏介质(空气)进入光密介质(玻璃),不能发生全反射。
(2)在界面Ⅱ上的入射角能大于临界角吗?
提示:不能。界面Ⅱ上的入射角总等于界面Ⅰ上的折射角,总小于临界角。
[规范解答] 在界面Ⅰ上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,都不可能发生全反射现象,A错误,C正确;在界面Ⅱ上光由玻璃进入空气,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进入玻璃后再到达界面Ⅱ,在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,故入射角总是小于临界角,因此也不可能发生全反射现象,B错误,D正确。
[完美答案] CD
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。
(2)若光由光密介质进入光疏介质,则根据sinC=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、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、运算及变换进行动态分析或定量计算。
 为了表演“隐形的大头针”节目,某同学在半径为r的圆形软木片中间垂直插入一枚大头针,并将其放入盛有水的碗中,如图所示。已知水的折射率为,为了保证表演成功即在水面上看不到大头针,大头针末端离水面的最大距离h为(  )
A.r B.r C.r D.r
答案 A
解析 大头针末端射到软木片边缘的光线恰好发生全反射时,在水面上看不到大头针,且大头针末端离水面的距离最大,此时sinC=,又sinC=,解得h=r,A正确。
课堂任务 全反射的应用
1.全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜叫做全反射棱镜。它在光学仪器里,用来改变光的传播方向。
下表为光通过全反射棱镜时的几种入射方式。
2.光导纤维
光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径只有1~100 μm左右,如图所示。它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,在内芯和外套的界面上经多次全反射,从另一端射出。
3.光导纤维的应用
(1)利用光导纤维可实现光纤通信,而光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等。
(2)医学上用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。
4.生活中的全反射现象
(1)两种蜃景原理
因为海水温度低,所以海面附近空气温度低,高空空气温度高,越向上空气密度越小,折射率越小,其蜃景原理如图甲所示。因为沙漠受阳光照射很热,下层空气温度比上层空气温度高,越向上空气密度越大,折射率越大,其蜃景原理如图乙所示。
(2)其他全反射现象:水或玻璃中的气泡很明亮,钻石光彩夺目,彩虹的形成等。
例2 如图所示,AB为有机玻璃棒,A、B之间距离为s,使一光脉冲信号从有机玻璃棒中间入射,射入后在有机玻璃棒与空气的界面上恰好发生全反射,由A点传输到B点所用时间为t,求有机玻璃棒的折射率n。(已知光在真空中的传播速度为c)
(1)“恰好发生全反射”意味着什么?
提示:入射角α等于临界角C。
(2)光在有机玻璃棒中的传播速度等于真空中的光速吗?
提示:不等于。光在有机玻璃棒中的传播速度为v=。
[规范解答] 设有机玻璃棒的折射率为n,则有
sinα=sinC=①
n=②
t==③
由①②③式解得t==,所以n=。
[完美答案] 
全反射的应用要注意的问题
(1)全反射发生在光从光密介质射入光疏介质时。
(2)恰好发生全反射现象时,应用sinC=和光速公式v=解题。
(3)正确作出光路图,利用几何边角关系分析。
注意:个别试题需要利用数学知识求函数的极值。
 如图甲所示,夏天,在平静无风的海面上,向远方望去,有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中。古人不明白产生这种景象的原因,对它作了不科学的解释,认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的,因而叫做“海市蜃楼”,也叫蜃景。如图乙所示,沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺,可望而不可即,这也是“蜃景”。下列有关蜃景的说法中错误的是(  )
A.海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
B.沙面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
C.A是蜃景,B是景物
D.C是蜃景,D是景物
答案 B
解析 海面上,下层空气的温度比上层低,则下层空气的密度比上层要大,故下层空气的折射率比上层空气的折射率要大,A正确;由于人眼认为光是沿直线传播的,故A是蜃景,B是景物,C正确;太阳照到沙面上,接近沙
面的热空气层比上层空气的密度小,折射率也小,即上层空气的折射率大,B错误;从远处物体射向沙面的光线,进入折射率小的热空气层时被折射,入射角逐渐增大,会发生全反射,人们逆着光线看去,就会看到远处物体的倒影,故C是蜃景,D是景物,D正确。
 如图所示,平静湖面岸边的垂钓者,眼睛恰好位于岸边P点正上方0.9 m的高度处,浮标Q离P点1.2 m远,鱼饵灯M在浮标正前方1.8 m处的水下,垂钓者发现鱼饵灯刚好被浮标挡住,已知水的折射率n=,求:
(1)鱼饵灯离水面的深度;
(2)若鱼饵灯缓慢竖直上浮,当它离水面多深时,鱼饵灯发出的光恰好无法从水面PQ间射出。
答案 (1)2.4 m (2)1.59 m
解析 (1)设入射角、折射角分别为i、r,设鱼饵灯离水面的深度为h2。
则有:sini= sinr=
根据光的折射定律可以知道:n=
联立并代入数据得:h2=2.4 m。
(2)当鱼饵灯离水面深度为h3时,水面PQ间恰好无光射出,此时鱼饵灯与浮标的连线和竖直方向夹角恰好为临界角C,则有:sinC=
由sinC=
得:h3= m≈1.59 m。