高中物理新教材人教版选择性必修第一册学案 第4章 2 全反射 Word版含解析

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名称 高中物理新教材人教版选择性必修第一册学案 第4章 2 全反射 Word版含解析
格式 doc
文件大小 784.5KB
资源类型 教案
版本资源 人教版(2019)
科目 物理
更新时间 2020-10-12 10:52:51

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文档简介

2.全反射

1.思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)两种介质相比较,折射率大的介质是光密介质. (√)
(2)光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射. (×)
(3)全反射棱镜和平面镜都是根据全反射原理. (×)
(4)光纤通信的主要优点是容量大. (√)
2.(多选)已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63,如果光按以下几种方式传播,可能发生全反射的是(  )
A.从玻璃射入水晶 B.从水射入二硫化碳
C.从玻璃射入水中 D.从水晶射入水
E.从玻璃射入二硫化碳
ACD [发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质,光密介质折射率较大,故A、C、D正确.]
3.华裔科学家高锟被誉为“光纤通信之父”.光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维,它的结构如图所示,其内芯和外套材料不同,光在内芯中传播.内芯的折射率比外套的________,光传播时在内芯与________的界面上发生全反射.
[解析] 光纤内芯比外套折射率大,在内芯与外套的界面上发生全反射.
[答案] 大 外套
全反射
“思考与讨论”的答案提示:如图光由介质射向真空(或空气)中,若刚好发生全反射现象,由折射率定义及光路可逆知:
n===
所以sin C=.
光亮铁球在阳光下很刺眼(如图1).
将光亮铁球夹在试管夹上,放在点燃蜡烛上熏黑(如图2).
将熏黑的铁球浸没在盛有清水的烧杯中,放在水中的铁球变得比在阳光下更亮(如图3).
图1    图2     图3
把试管夹从水中取出时,发现熏黑的铁球依然如故,再将其再放入水中时,出现的现象和前述一样,这是为什么呢?
提示:被蜡烛熏黑的光亮铁球外表面附着一层未燃烧完全的碳蜡混和物,对水来说是不浸润的,当该球从空气进入水中时,在其外表面上会形成一层很薄的空气膜,当有光线透过水照射到水和空气界面上时,会发生全反射现象,而正对小球看过去会出现一些较暗的区域,这是入射角小于临界角的区域.
1.对光疏介质和光密介质的理解
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(n=2.42)来说,就是光疏介质.同一种介质到底是光疏介质还是光密介质,不是绝对的.
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.
由v=可知:光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小.
光在两种介质中传播时,由折射定律可知:
n1sin θ1=n2sin θ2,n1v1=n2v2,
由此可知:当光从光密介质传播到光疏介质时,折射角大于入射角;当光从光疏介质传播到光密介质时,折射角小于入射角.光在光疏介质中传播的速度大于光在光密介质中传播的速度.
2.对全反射的理解
(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:光从光密介质进入光疏介质发生全反射时,仍然遵守反射定律,有关计算仍依据反射定律进行.
【例1】 如图所示,三棱镜的横截面为直角三角形ABC,∠A=30°,∠B=60°.一束平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜,在AC边发生反射后从BC边的M点射出.若光线在P点的入射角和在M点的折射角相等.
(1)求三棱镜的折射率;
(2)在三棱镜的AC边是否有光线透出?写出分析过程.(不考虑多次反射)
思路点拨:解答本题要注意以下两点:
(1)根据三角形的边角关系和折射定律弄清在三个分界面的光路;
(2)当光线射向三棱镜的AC边时是否发生全反射.
[解析] (1)光路如图所示,图中N点为光线在AC边发生反射的入射点.设光线在P点的入射角为i、折射角为r,在M点的入射角为r′、折射角依题意得也为i,且
i=60° ①
由折射定律得
sin i=nsin r ②
nsin r′=sin i ③
由②③式得r=r′ ④
OO′为过M点的法线,∠C为直角,OO′∥AC.由几何关系知∠MNC=r′ ⑤
由反射定律可知∠PNA=∠MNC ⑥
联立④⑤⑥式得∠PNA=r ⑦
由几何关系得r=30° ⑧
联立①②⑧式得n=. ⑨
(2)设在N点的入射角为i″,由几何关系得
i″=60° ⑩
此三棱镜的全反射临界角满足
nsin θ=1 ?
由⑨⑩?式得i″>θ
此光线在N点发生全反射,三棱镜的AC边没有光线透出.
[答案] (1) (2)三棱镜的AC边没有光线透出 分析见解析
求解全反射问题的思路
1.求解全反射问题的步骤
(1)确定光是由光疏介质射入光密介质还是由光密介质射入光疏介质.
(2)若光由光密介质射入光疏介质,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,从而进行动态分析或定量计算.
2.求光线照射的范围时,关键是找出边界光线,如果发生全反射,刚好能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线,而另一条光线可以通过分析找出.确定临界光线时,关键是确定光线在什么位置时入射角等于临界角.
1.(多选)如图所示,半圆形玻璃砖放在空气中,三条同一颜色、强度相同的光线均由空气射入玻璃砖,到达玻璃砖的圆心位置.下列说法正确的是(  )
A.若三条光线中有一条在O点发生了全反射,那一定是aO光线
B.若光线bO能发生全反射,那么光线cO一定能发生全反射
C.若光线bO能发生全反射,那么光线aO一定能发生全反射
D.若光线aO恰能发生全反射,则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大
ACD [三条入射光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖,在圆周界面,它们的入射角为零,均不会偏折.在直径界面,光线aO的入射角最大,光线cO的入射角最小,它们都是从光密介质射向光疏介质,都有发生全反射的可能.如果只有一条光线发生了全反射,那一定是aO光线,因为它的入射角最大,所以A项对;若bO光线能发生全反射,说明它的入射角等于或大于临界角,光线aO的入射角更大,所以,光线aO一定能发生全反射,光线cO的入射角可能大于临界角,也可能小于临界角,因此cO不一定能发生全反射,所以C项对,B项错;若光线aO恰能发生全反射,光线bO和cO都不能发生全反射,但bO的入射角更接近于临界角,所以光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强,即bO的反射光线亮度较大,所以D项对.]
全反射的应用
中新网2004年3月16日电据日本《读卖新闻》报道,15日上午11时30分左右(北京时间10时30分),日本根室市职员谷口博之在北海道根室市海域的根室海峡上空,观测到了船悬于半空的海市蜃楼奇观,并将其拍摄下来.
海市蜃楼
怎样解释这种自然现象?
提示:当大气比较平静且海面上的空气温差较大时,空气的密度随温度的升高而减小,对光的折射率也随之减小,远处的轮船反射的光线射向空中时,不断被折射,射向折射率较小的上一层的入射角越来越大,当光线的入射角大到临界角时,就会发生全反射,光线从高空返回折射率较小的下一层,当光线进入人眼后,人总认为光是从光的反向延长线的方向发射而来的,所以地面附近的观察者就可以看到虚像,并且虚像成像在远处的半空中,这就是海面上的“蜃景”.
1.对全反射棱镜光学特性的两点说明
(1)当光垂直于它的一个界面射入后,都会在其内部发生全反射,与平面镜相比,它的反射率很高.
(2)反射时失真小,两种反射情况如图甲、乙所示.
2.光导纤维的结构与应用
实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径只有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,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射,使反射光的能量最强,实现远距离传送.因此,光信号能携带着声音、图像以及各种数字信号沿着光纤传输到很远的地方,实现光纤通信,其主要优点是容量大,衰减小,抗干扰性强等.
医学上用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体的胃、肠等器官内部,如图所示.
【例2】 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,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)
[解析] 该题考查光导纤维的全反射及光速问题.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,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=,所需的最长时间为tmax==.
[答案] 
对光导纤维折射率的要求
设光导纤维的折射率为n,当入射光线的入射角为θ1时,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:sin C=,n=,C+θ2=90°,由以上各式可得:
sin θ1=.
由图可知:(1)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.(2)当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入纤维中的光线都能发生全反射,即有n=,以上是光从纤维射向真空时得到的折射率.(3)由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此光导纤维折射率要比大些.
2.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为n=1.5的全反射玻璃棱镜.在框内画出两个棱镜的放置方式并作出光路图.
[答案] 
1.物理观念:临界角、全反射的条件.
2.科学思维:通过实验总结物理规律.
3.科学探究:探究全反射发生的条件.
1.(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小
D.光从光密介质射入光疏介质有可能不发生全反射
BCD [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=可知,光在光密介质中的速度较小.]
2.(多选)如图所示,ABCD是两面平行的透明玻璃,AB面和CD面平行,它们是玻璃和空气的界面,设为界面1和界面2.光线从界面1射入玻璃砖,再从界面2射出,回到空气中,如果改变光到达界面1时的入射角,则(  )
A.只要入射角足够大,光线在界面1上可能发生全反射现象
B.只要入射角足够大,光线在界面2上可能发生全反射现象
C.不管入射角多大,光线在界面2上都不可能发生全反射现象
D.光线穿过玻璃砖后传播方向不变,只发生侧移
CD [在界面1,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;在界面2,光由玻璃砖进入空气,是由光密介质进入光疏介质,由于界面1和界面2平行,光由界面1进入玻璃后再到达界面2,在界面2上的入射角等于在界面1上的折射角,因此入射角总是小于临界角,也不会发生全反射现象.]
3.(多选)光从介质1通过两种介质的交界面进入介质2的光路如图所示.下列论述正确的是(  )
A.光在介质1中的传播速度较大
B.光在介质2中的传播速度较大
C.光从介质1射向两种介质的交界面时,不可能发生全反射现象
D.光从介质2射向两种介质的交界面时,可能发生全反射现象
ACD [光从介质1进入介质2的光路如题图,入射角大于折射角,即从光疏介质入射到光密介质,所以光线在介质1中传播速度较大,A对,B错;光线从光密介质到光疏介质可能发生全反射即从介质2到介质1,CD对.]
4.(多选)下列现象中是由于全反射造成的是(  )
A.露珠在阳光下格外明亮
B.直棒斜插入水中时,呈现弯折现象
C.海市蜃楼
D.在炎热夏天的柏油马路上,远处的路面显得格外明亮
ACD
5.[思维拓展]情境:在自行车的后挡泥板上,常常安装着一个“尾灯”.其实它不是灯,它是由一种透明的塑料制成的,其截面如图所示.夜间,从自行车后方射来的汽车灯光照在“尾灯”上时,“尾灯”就变得十分明亮,以便引起汽车司机的注意.
问题:(1)尾灯为什么做成如图所示截面而不是平面?
(2)夜间“尾灯”变得十分明亮利用了什么原理?
[提示] (1)用全反射棱镜代替平面镜,改变光的传播方向.
(2)全反射原理.