高中物理 粤教版选修3-4 学案 第4章 第3节　光的全反射现象 Word版含解析

第三节　光的全反射现象
[学习目标]　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.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用．
1．(3分)光从空气射入水中，当入射角变化时，则(　　)
A．反射角和折射角都发生变化
B．反射角和折射角都不变
C．反射角发生变化，折射角不变
D．折射角变化，反射角始终不变
【解析】　根据反射定律和折射定律判断A对．
【答案】　A
2．(3分)(多选)关于光的折射下列说法错误的是(　　)
A．折射光线一定在法线和入射光线所确定的平面内
B．入射线和法线与折射线不一定在一个平面内
C．入射角总大于折射角
D．光线从空气斜射入玻璃时，入射角大于折射角
【解析】　根据折射定律，入射光线、折射光线和法线一定在同一平面内．B错．入射角不一定总大于折射角．C错．
【答案】　BC
3．(4分)(多选)一小球掉入一水池中，小球所受重力恰与其所受阻力和浮力的合力相等，使小球匀速下落，若从水面到池底深h＝1.5 m，小球3 s到达水底，那么，在下落处正上方观察时(　　)
A．小球的位移等于1.5 m
B．小球的位移小于1.5 m
C．小球的运动速度小于0.5 m/s
D．小球的运动速度仍等于0.5 m/s
【解析】　由于沿竖直方向看水中物体时，“视深”是实际深度的倍，所以在上面的人看来，物体向下运动的位移h′＝，由于n>1，所以h′【答案】　BC
一、光的全反射
1．全反射和临界角
(1)全反射：光从光密介质射向光疏介质时，逐渐增大入射角，会看到折射光线离法线越来越远且越来越弱，反射光线会越来越强．当入射角增大到某一角度，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做光的全反射．
(2)临界角：光从光密介质射入光疏介质，刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角．
2．全反射的条件
(1)光从光密介质射入光疏介质．
(2)入射角大于或等于临界角．
二、光导纤维的结构与应用
1．结构
光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到一百微米之间，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光在光纤内传播时，在内芯和外套的界面上发生全反射．
2．应用
(1)光纤通信：光信号能携带数码信息、电视图像和声音等，其主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强．
(2)医学：用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体的胃、肠、气管等内脏．
一、对全反射现象的理解
1．光疏介质和光密介质
(1)光疏介质：折射率较小的介质(即传播速度大的介质)叫光疏介质．
(2)光密介质：折射率较大的介质(即传播速度小的介质)叫光密介质．
光疏介质和光密介质是相对而言的．
2．全反射
光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度，光线全部被反射回原光密介质的现象．
3．临界角
光从光密介质射向光疏介质时，折射角等于90°时的入射角，用C表示．
4．产生全反射的条件
(1)光线从光密介质射向光疏介质．
(2)入射角等于或大于临界角．
5．光由光密介质射向光疏介质时，从能量角度分析，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，一旦入射角等于临界角，折射光线的能量实际上已减小为零，此时刚好发生全反射．
6．当光从介质射入空气(或真空)时，sin C＝.
7．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．
二、光导纤维及其应用
1．光导纤维的工作原理
(1)光导纤维简称光纤，是把石英玻璃拉成直径为几微米到几十微米的细丝，然后再包上折射率比它小的材料制成的．
(2)光导纤维之所以能传输信息，就是利用了光的全反射现象．
如图所示，它是由内芯和外套两层组成的，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．
2．光导纤维的应用
(1)光纤通信原理：光纤通信是利用全反射的原理．
光纤通信的过程：先将声音信号转化为光信号，利用光纤传输光信号，最后把光信号输出，到接收端再将光信号还原为声音信号．
(2)光纤通信的优点：光导纤维具有质地轻、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、保密性好等优点，光纤通信还有一个最大优点就是通信容量极大．光导纤维还可以用来制作光导潜望镜、医用光导纤维内窥镜等．
一、全反射的临界条件分析
　半径为R的半圆柱形玻璃，横截面如图所示，O为圆心，已知玻璃的折射率为，一束光以与MN平面成45°角的方向射向半圆柱形玻璃，求能从MN射出的光束的宽度为多少？
【导析】　画出光路图，并确定出发生全反射的临界光线．
【解析】　如图所示，进入玻璃中的光线①垂直半球面，沿半径方向直达球心位置O，且入射角等于临界角，C＝arcsin＝45°，恰好在O点发生全反射．光线①左侧的光线(如：光线②)经球面折射后，射在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．最右边射向半球的光线③与球面相切，入射角i＝90°，由折射定律知：sin γ＝＝，则γ＝45°.故光线③将垂直MN射出．所以在MN面上射出的光束宽度应是OE＝Rsin γ＝R.
【答案】　R
解决这类全反射问题一般分三步，首先弄清楚是否满足发生全反射的条件，光线在哪个界面发生全反射；其次是根据临界条件画出光路图，除找出刚好发生全反射的光线外，有时还要找出特殊光线(如本题中的光线③)；最后利用光学知识和几何知识进行推理和计算.
1．在厚度为d、折射率为n的大玻璃板下表面，有一个半径为r的圆形发光面．为了从玻璃板的上方看不见这个圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一块圆形纸片，问所贴纸片的最小半径应为多大？
【解析】　根据题述，光路如图所示，图中S点为圆形发光面边缘上一点．由该点发出的光线能射出玻璃板的范围由临界光线SA确定，当入射角大于临界角C时，光线就不能射出玻璃板了．
图中Δr＝dtan C＝d，
而sin C＝，则cos C＝，
所以Δr＝.
故应贴圆纸片的最小半径R＝r＋Δr＝r＋.
【答案】　r＋
二、光的全反射的应用
　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，又从另一个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)
【导析】　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现象．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，即光对光导纤维的入射角最小．根据全反射条件：i≥C可知入射角等于临界角时，光线的路径最长，所需时间也最长．
【解析】　光导纤维的临界角为C＝arcsin，
光在光导纤维中传播的路程为d＝＝nL，
光在光导纤维中传播的速度为v＝，
所需最长时间为tmax＝＝＝.
【答案】　
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，与此题相似的一类求极值的问题，极值存在的条件均与全反射的临界角有关.
2．光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务．目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络．下列说法正确的是(　　)
A．光纤通信利用光作为载体来传递信息
B．光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理
C．光导纤维传递光信号是利用光的色散原理
D．目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝
【解析】　光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝．
【答案】　AD
1．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】　本题考查光导纤维的构成及应用．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．所以，答案是C.
【答案】　C
2．(多选)关于全反射，下列说法中正确的是(　　)
A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线
B．光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象
C．光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象
D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生全反射
【解析】　全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质．
【答案】　CD
3．(多选)一束光从空气射向折射率为n＝的某种玻璃的表面，i代表入射角，则(　　)
A．当i>45°时，会发生全反射现象
B．无论入射角i是多大，折射角γ都不会超过45°
C．欲使折射角γ＝30°，应以i＝45°的角度入射
D．当入射角i＝arctan时，反射光线跟入射光线恰好互相垂直
【解析】　光从空气射入玻璃时，不会发生全反射，A项错。由折射定律可知，B、C选项正确。当入射角为arctan时，反射光线跟入射光线的夹角为2arctan，D项错．
【答案】　BC
4．如图所示，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方．一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带．若入射点由A和B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失．在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是(　　)
A．减弱，紫光　 B．减弱，红光
C．增强，紫光 D．增强，红光
【解析】　光在传播时随入射角增大，反射光能量增强，折射光能量减少．根据能量守恒定律可知，当折射光线变弱或消失时反射光线的强度将增强，故A、B两项均错；在七色光中紫光频率最大且最易发生全反射，故光屏上最先消失的光是紫光，故C项正确，D项错误．
【答案】　C