(共27张PPT)
第四章 光的折射
第四章 光的折射
较小
光密
较大
光疏
相对
光密
光疏
全部
光密
光疏
大于或等于
90°
入射
全反射
大
全反射
声音
光
光
容量
抗干扰能力
高考资源网WWWkS!5u.comc高考资源同网你身边的高专象
考资源网第一时间更新名校试题,30个省市区资源一网打尽!课件、教案、学案、素材、论文种类齐全
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生动
突破疑难·讲练提升第3节光的全反射
[随堂检测]
1．(多选)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播信息
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：选AD．光导纤维传递光信号是利用光的全反射原理来实现用光作为载体传递信息的，故A选项正确，B、C选项错误．光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝，所以选项D正确．
2．酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到在一定距离之外，地面显得格外明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影．但当你靠近“水面”时，它也随你靠近而后退．对此现象正确的解释是( )
A．出现的是“海市蜃楼”，是由于光的折射造成的
B．“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉
C．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率大，发生全反射
D．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率小，发生全反射
解析：选D．酷热的夏天地面温度高，地表附近空气的密度小，空气的折射率下小上大，远处车、人反射的太阳光由光密介质射入光疏介质发生全反射．
3.空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．下图给出了两棱镜四种放置方式的示意图．其中能产生图中效果的是( )
解析：选B．四个选项产生光路效果如图：
由图可知B项正确．
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向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：选C．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两项均错误；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．
5．如图所示，直角三角形ABC为一三棱镜的横截面，∠A＝30°.一束单色光从空气射向BC上的E点，并偏折到AB上的F点，光线EF平行于底边AC.已知入射方向与BC的夹角为θ＝30°.试通过计算判断光在F点能否发生全反射．
解析：光线在BC界面的入射角θ1＝60°、 折射角θ2＝30°
根据折射定律得n＝＝＝
由几何关系知，光线在AB界面的入射角为θ3＝60°而棱镜对空气的临界角C的正弦值sin C＝＝
则在AB界面的入射角θ3＞C
所以光线在F点将发生全反射．
答案：见解析
[课时作业]
一、单项选择题
1．关于全反射，下列叙述中正确的是( )
A．发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱
B．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象
C．光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象
D．光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象
解析：选C．发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以选项A错误．发生全反射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，二者缺一不可，所以选项B、D错误，C正确．
2．某种介质对空气的折射率是 ，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是(图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质)( )
解析：选D．由题意知，光由光密介质射向了光疏介质，由sin C＝＝得C＝45°<60°，即没有折射光线，故D选项正确．
3．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．以下关于光导纤维的说法正确的是( )
A．内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
B．内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
C．内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射
D．内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用
解析：选A．根据发生全反射的条件，必须从光密介质射向光疏介质时才可发生全反射．内芯的折射率比外套大，并且在两种介质的界面上发生全反射，故选A．
4.直线P1P2过均匀玻璃球球心O，细光束a、b平行且关于P1P2对称，由空气射入玻璃球的光路如图，a、b光相比( )
A．玻璃对a光的折射率较大
B．玻璃对a光的临界角较小
C．b光在玻璃中的传播速度较小
D．b光在玻璃中的传播时间较短
解析：选C．
由图可知a、b两入射光线的入射角i1＝i2，折射角r1＞r2，由折射率n＝知玻璃对b光的折射率较大，选项A错误；设玻璃对光的临界角为C，sin C＝，a光的临界角较大，故选项B错误；光在介质中的传播速度v＝，则a光的传播速度较大，b光的传播速度较小，故选项C正确；b光的传播速度小，且通过的路程长，故b光在玻璃中传播的时间长，故选项D错误．
5．如图所示，一束光从空气垂直射到直角棱镜的AB面上，已知棱镜材料的折射率为1.4，则这束光进入棱镜后的光路图应为图中的( )
解析：选D．
入射光在界面AB上垂直入射，不发生偏折，如图所示，当光传播到AC界面上时，由图中几何关系可知入射角i1＝60°.因介质的折射率n＝1.4，临界角的正弦值sin iC＝＝，可知30°6．在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图所示．有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合．已知玻璃的折射率为1.5，则光束在桌面上形成的光斑半径为( )
A．r B．1.5r
C．2r D．2.5r
解析：选C．
如图所示，光线射到A或B时，入射角大于临界角，发生全反射，而后由几何关系得到第二次到达界面的时候垂直射出；同理，在AB之间射入的光线都发生全反射．O点为△ABC的重心，设FC＝x，则由几何关系得到＝，解得光斑半径x＝2r.
二、多项选择题
7．已知介质对某单色光的临界角为θ，则( )
A．该介质对此单色光的折射率为
B．此单色光在该介质中的传播速度是真空中光速的sin θ 倍
C．此单色光在该介质中的波长是真空中波长的sin θ倍
D．此单色光在该介质中的频率是真空中频率的
解析：选ABC．由sin C＝得A正确．又由v＝得B正确．c＝，f由光源决定、不变，故C正确，D错误．
8．下列叙述中正确的是( )
A．背对阳光看玻璃球觉得比较明亮，主要原因是光在球中发生全反射
B．雨过天晴时，空中出现的彩虹是因为阳光在水滴的表面上反射而形成的
C．常看到倒扣在水中的空玻璃杯显得很明亮的原因与水中上升的气泡很亮的原因是一样的
D．以上判断均不正确
解析：选AC．背对阳光看玻璃球比较明亮，是光在玻璃球中发生全反射；彩虹是因为阳光在水滴中折射形成的，B项错误；C项中现象的成因是由于光在介质表面发生了全反射，A、C项正确．
9.如图直角三角形ABC为一透明介质制成的三棱镜的横截面，且∠A＝30°，在整个AC面上有一束垂直于AC的平行光线射入，已知这种介质的折射率n>2，则( )
A．可能有光线垂直AB面射出
B．一定有光线垂直BC面射出
C．一定有光线垂直AC面射出
D．从AB面和BC面射出的光线能会聚于一点
解析：选BC．由于折射率n>2，临界角小于30°，射向BC面和AB面的光线都将发生全反射．通过作图可知，射向BC面的光线经反射到达AB面，再次发生全反射，垂直AC面射出；射向AB面的光线，一部分经全反射射向AC面，然后再次发生全反射，垂直BC面射出；还有一部分经全反射射向BC面，然后再次发生全反射，垂直AC面射出．
10.一玻璃砖横截面如图所示，其中ABC为直角三角形(AC边未画出)，AB为直角边，∠ABC＝45°，ADC为一圆弧，其圆心在BC边的中点．此玻璃的折射率为1.5.P为一贴近玻璃砖放置的、与AB垂直的光屏．若一束宽度与AB边长度相等的平行光从AB边垂直射入玻璃砖，则( )
A．从BC边折射出一束宽度与BC边长度相等的平行光
B．屏上有一亮区，其宽度小于AB边的长度
C．屏上有一亮区，其宽度等于AC边的长度
D．当屏向远离玻璃砖的方向平行移动时，屏上亮区先逐渐变小然后逐渐变大
解析：选BD．设光在玻璃砖BC面与AC弧面上的临界角为C，则有sin C＝＝，显然C<45°，故可知光将在整个BC面上发生全反射，也会在AC弧面上靠近A点和C点附近区域发生全反射．D点附近的射出光线形成会聚光束照到光屏P上．由以上分析可知B、D选项正确．
三、非选择题
11．一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯，图为过轴线的截面图，调整入射角α，使光线恰好在水和空气的界面上发生全反射．已知水的折射率为，求sin α的值．
解析：如图所示，
当光线在水面发生全反射时，有sin C＝ ①
当光线从左侧射入时，由折射定律得：＝n ②
联立①②式，代入数据可得sin α＝.
答案：
12．如图，一个三棱镜的截面为等腰直角△ABC，∠A为直角．一细束光线沿此截面所在平面且平行于BC边的方向射到AB边上的M点，M、A间距为l.光进入棱镜后直接射到AC边上，并刚好能发生全反射．试求：
(1)该棱镜材料的折射率？
(2)光从AB边到AC边的传播时间？(已知真空中的光速为c)
解析：(1)设光从AB边射入时，折射角为α，射到AC面上N点时，入射角为β，光路图如图所示：
根据折射定律nsin α＝sin 45°，
光在AC边上恰好发生全反射：nsin β＝1
根据几何关系α＋β＝90°，联立解得：n＝.
(2)由图中几何关系可得MN之间的距离为：x＝
由(1)可解得：sin α＝
用v表示光在棱镜内的传播速度n＝
光从AB边到AC边的传播时间为：t＝＝.
答案：(1) (2)
PAGE
- 7 -(共33张PPT)
高考资源网WWWkS!5u.comc高考资源同网你身边的高专象
考资源网第一时间更新名校试题,30个省市区资源一网打尽!课件、教案、学案、素材、论文种类齐全
300
30°
A
30°
B
30
A
30°
B第3节 光的全反射
1.知道光密介质和光疏介质，理解光的全反射现象．(重点) 2.知道全反射的条件，能应用全反射条件解决有关问题．(重点＋难点) 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．
一、全反射现象
1．光密介质和光疏介质
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．光疏介质和光密介质是相对的．
2．全反射现象
光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象．
二、全反射条件
1．发生全反射条件
(1)光线从光密介质射入光疏介质．
(2)入射角大于或等于临界角．
2．临界角C
折射角等于90°时的入射角叫做临界角．
特别地，当光从某种介质射向真空(或空气)时，临界角C满足：n＝＝．
三、全反射的应用——光导纤维
1．光导纤维对光的传导原理
利用了全反射原理．
2．光导纤维的构造
光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成．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．
3．光导纤维的应用——光纤通信
光纤通信先将声音信号转换为光信号，利用光纤把光信号输出；到接收端再将光信号还原为声音信号．
4．光纤通信的主要优点
容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输速率高．
夏季的早晨，从某一方向看到植物叶子上的露珠格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也特别明亮，这是什么道理呢？
提示：这是因为在露珠和叶子的界面上发生了光的全反射现象．
对光疏介质和光密介质的理解
1．相对性
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．同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的．
2．对光路的影响
由折射定律n1sin i＝n2sin r可知，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．即光在折射率越大的介质中传播时，越靠近法线，在折射率越小的介质中传播时，越远离法线．
3．对光速的影响
由v＝可知，同一束光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小．
4．与密度无关
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．
光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而言的．任何两种透明介质都可以通过比较光在其中速度的大小或折射率的大小来判定谁是光疏介质或光密介质．
(多选)下列说法正确的是( )
A．因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质
B．因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质
C．同一束光，在光密介质中的传播速度较大
D．同一束光，在光密介质中的传播速度较小
[解析] 因为水的折射率为1.33，酒精的折射率为1.36，所以水对酒精来说是光疏介质；由v＝c/n可知，光在光密介质中的传播速度较小．
[答案] BD
全反射的理解及求解的基本思路
1．对全反射的理解
(1)光的全反射是光从光密介质进入光疏介质时，折射光线消失，只剩下反射光线的现象．
(2)全反射是光的折射的特殊现象，光的反射定律适用于全反射．
(3)发生全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角．
2．求解全反射问题的基本思路
(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时，则根据sin C＝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．
3．从能量的角度来理解全反射
当光从光密介质射入光疏介质时，入射角增大，折射角增大．同时折射光线强度减弱，即折射光线能量减小，反射光线强度增强，能量增加．当入射角达到临界角时，折射光强减小到零，入射光的能量全部集中到反射光．
一般情况下光由一种介质进入另一种介质时，既有反射又有折射，即光的能量有一部分反射回原物质中，而另一部分则进入其他介质中，发生全反射时光的能量全部反射回原介质中．
命题视角1 全反射现象的分析与判断
如图所示，为一块建筑用幕墙玻璃的剖面图，在其上建立直角坐标系xOy，设该玻璃的折射率沿y轴正方向均匀发生变化．现有一单色a从原点O以某一入射角θ由空气射入该玻璃内部，且单色光a在该材料内部的传播路径如图中实线所示．则玻璃的折射率沿y轴正方向发生变化的情况是( )
A．折射率沿y轴正方向均匀减小
B．折射率沿y轴正方向均匀增大
C．折射率沿y轴正方向先均匀减小后均匀增大
D．折射率沿y轴正方向先均匀增大后均匀减小
[解析] 由于光线从空气射入玻璃，折射光线逐渐向x轴方向偏折，说明入射角小于折射角，后来发生全反射，故该光学材料的折射率沿y轴正方向均匀减小，A正确．
[答案] A
命题视角2 全反射现象的计算
如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)．已知玻璃的折射率为1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)．求：
(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；
(2)距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离．
[解析] (1)如图，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角ic时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为l.
i＝ic ①
设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsin ic＝1 ②
由几何关系有sin i＝ ③
联立①②③式并利用题给条件，得l＝R. ④
(2)设与光轴相距的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有nsin i1＝sin r1 ⑤
设折射光线与光轴的交点为C，在△OBC中，由正弦定理有
＝ ⑥
由几何关系有∠C＝r1－i1 ⑦
sin i1＝ ⑧
联立⑤⑥⑦⑧式及题给条件得OC＝R≈2.74R.
[答案] 见解析
【通关练习】
1．雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹．设水滴为球形，图中的圆代表水滴过球心的截面，a、b代表两条不同颜色的出射光线．以下说法正确的是( )
A．在水滴中，a光的传播速度比b光大
B．发生全反射时，a光的临界角比b光小
C．a光在P处一定发生了全反射
D．射出水滴的光线一定与入射光线平行
解析：选A．b光线的偏折程度大于a光线的偏折程度，知b光的折射率大于a光的折射率，根据v＝知，a光在介质中传播的速度较大，故A正确；根据sin C＝，可以知道a光的临界角比b光大，故选项B错误；因为光从一个界面射入时，折射到另一个界面上时，根据几何关系知，在第一个界面上的折射角等于在第二个界面上的入射角，所以两光均不能发生全反射．故C错误；由几何关系知，射出光线不一定与入射光线平行，故D错误．
2．在桌面上有一个倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面相接触，圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图所示，有一半径为r＝0.1 m的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的桌面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合，已知玻璃的折射率为n＝1.73.则
(1)通过计算说明光线1能不能在圆锥的侧面B点发生全反射；
(2)光线1经过圆锥侧面B点后射到桌面上某一点所用的总时间是多少．(结果保留三位有效数字)
解析：(1)sin C＝＝<＝sin 60°，
所以，光线1在B点的入射角等于60°，能在圆锥的侧面B点发生全反射．
(2)根据几何关系知BE＝EF＝r
所以，总时间t＝＋≈1.58×10－9 s.
答案：(1)光线1能在圆锥的侧面B点发生全反射
(2)1.58×10－9 s
3．如图所示为某种透明介质做成的直三棱柱，ACC′A′侧面与BCC′B′侧面垂直，∠B＝60°，一细光束由BCC′B′侧面上某一点垂直射入，在ABB′A′侧面上刚好发生全反射．求：
(1)透明介质的折射率；
(2)光线从ACC′A′侧面射出时折射角的正弦值．
解析：(1)作俯视图如图所示，光束在AB面上刚好发生全反射，入射角等于临界角C
由几何关系，C＝∠B＝60°
sin C＝
可得n＝.
(2)∠EDA＝90°－C＝30°
光束在AC面上的入射角r＝180°－∠A－∠EDA－90°＝30°
由公式＝n
可得sin i＝.
答案：(1) (2)
PAGE
- 6 -
