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
文档属性
| 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 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 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。
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。