2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第一册 4.2全反射 课件（48张PPT）

光的全反射
必备知识·自主学习
一、全反射现象及其条件
1.光疏介质和光密介质:
项目名称
光 疏 介 质
光 密 介 质
定　义
光在其中传播速度
_________的介质,即
折射率_________的介
质?
光在其中传播速度_________
的介质,即折射率_________的
介质?
折射特点
(1)光从_________介质射入_________介质时,折射角小于
入射角?
(2)光从_________介质射入_________介质时,折射角大于
入射角?
较大
较小
较小
较大
光疏
光密
光密
光疏
2.全反射及临界角:
(1)全反射:光从光密介质射到光疏介质的界面时,全部被___________原介质的
现象叫作全反射。?
(2)临界角:光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的_________,
用字母C表示。?
3.发生全反射的条件:
(1)光从_________介质射入_________介质。?
(2)入射角_______________临界角。?
4.临界角与折射率的关系:光由介质射入空气(真空)时,_________。?
反射回
入射角
光密
光疏
等于或大于
【易错辨析】
(1)光密介质是指密度大的介质。 (　　)
(2)一种介质不是光疏介质就是光密介质。 (　　)
(3)光由光疏介质射入光密介质后速度减小。 (　　)
(4)光由光疏介质射入光密介质时才能发生全反射。 (　　)
(5)临界角与折射率成反比。 (　　)
提示:(1)×。光密介质是指折射率大的介质。
(2)×。一种介质究竟是光疏介质还是光密介质是相对其他介质而言的。
(3)√。光密介质的折射率大,光在其中的传播速度小。
(4)×。光由光密介质射入光疏介质时才能发生全反射。
(5)×。临界角随折射率的增大而减小,但不是反比关系。
二、光导纤维
1.光导纤维的原理:利用了___________的原理。?
2.光导纤维的构造:光导纤维是一根极细的玻璃丝,直径约有几微米到100微米
不等,由两种折射率不同的玻璃制成,分内层和外层,内层的折射率比外层的折
射率_______,当光在光纤内传播时,会在两层玻璃的界面上发生___________,
通过一系列的全反射,光就沿着弯弯曲曲的光纤从一端传到另一端。?
3.光导纤维的应用:
(1)制成医学上常用的___________。?
(2)实现光纤_________。?
4.光纤通信的优点:容量大、衰减小、_________________、传输速率高。?
全反射
大
全反射
内窥镜
通信
抗干扰能力强
【情境思考】
　光导纤维有什么优点?
提示: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、通信容量大。
关键能力·合作学习
知识点一　全反射
问题探究:
如图所示,光由玻璃斜射向空气,若逐渐增加入射角,当入射角增大到一定程度
后将出现折射光消失的现象,这种现象叫作全反射。请问:要想出现这种现象必
须具备什么条件?
提示:由图可知,必须同时具备两个条件:
①入射角足够大;
②光由折射率大的介质射向折射率小的介质。
【核心归纳】
1.光疏介质和光密介质
(1)光疏介质和光密介质的比较:
(2)相对性:光疏介质、光密介质是相对的。任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质。
(3)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。
光的传播速度
折射率
光疏介质
大
小
光密介质
小
大
2.全反射现象:
(1)全反射的条件:
①光由光密介质射向光疏介质。
②入射角大于或等于临界角。
(2)全反射遵循的规律:发生全反射时,光全部返回原介质,入射光与反射光遵循光的反射定律,由于不存在折射光线,光的折射定律不再适用。
(3)从能量角度来理解全反射: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,折射光线强度减弱到零,反射光的能量等于入射光的能量。
3.不同色光的临界角:不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时,频率越高的光的临界角越小,越易发生全反射。
提醒:(1)对光疏介质、光密介质的理解方面:同一种介质到底是光疏介质还是光密介质是不确定的,必须与其他介质的折射率进行比较才能得到答案。
(2)临界角大小的决定因素方面:临界角的大小由光密介质和光疏介质的折射率及光的频率共同决定。
【典题示范】
【典例】
(2018·全国卷Ⅱ)如图,△ABC是一直角三棱镜的横截面,∠A=90°,∠B=60°,一细光束从BC边的D点折射后,射到AC边的E点,发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G,D恰好是CG的中点。不计多次反射。
(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角。
(2)为实现上述光路,棱镜折射率的取值应在什么范围?
【解析】
(1)光线在BC面上折射,由折射定律有
sin i1=nsin r1 ①
式中,n为棱镜的折射率,i1和r1分别是该光线在BC面上的入射角和折射角。光线在AC面上发生全反射,由反射定律有i2=r2 ②
式中i2和r2分别是该光线在AC面上的入射角和反射角。
光线在AB面上发生折射,由折射定律有nsin i3=sin r3 ③
式中i3和r3分别是该光线在AB面上的入射角和折射角。
由几何关系得i2=r2=60°,r1=i3=30°④
F点的出射光相对于D点的入射光的偏角为
δ=(r1-i1)+(180°-i2-r2)+(r3-i3) ⑤
由①②③④⑤式得δ=60°⑥
(2)光线在AC面上发生全反射,光线在AB面上不发生全反射,有nsin i2≥nsin C>nsin i3 ⑦
式中C是全反射临界角,满足
nsin C=1 ⑧
由④⑦⑧式知,棱镜的折射率n的取值范围应为
答案:(1)60°　(2)
【规律方法】
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空气时,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,进行动态分析或定量计算。
【素养训练】
1.(2020·广安高二检测)折射率n= 的直角玻璃三棱镜截面如图所示,一条光线从AB面入射,入射角为i(图中未标出),ab为其折射光线,ab与AB面的夹角θ=60°。则 (　　)
A.i=45°,光在AC面上不发生全反射
B.i=45°,光在AC面上发生全反射
C.i=30°,光在AC面上不发生全反射
D.i=30°,光在AC面上发生全反射
【解析】选B。由折射定律可知:
解得:i=45°
由sinC= 可知,
光线在AC面上发生全反射的临界角为C=45°。由于ab在AC面上的入射角为60°,所以光线ab在AC面上发生了全反射,不能从AC面上折射出去。故选B。
2.(2019·江苏高考)如图所示,某L形透明材料的折射率n=2。现沿AB方向切去一角,AB与水平方向的夹角为θ。为使水平方向的光线射到AB面时不会射入空气,求θ的最大值。
【解析】要使光线不会射入空气,即发生全反射,设临界角为C,即有:sinC= 由几何关系得:C+θ=90°
联立解得:θ=60°。
答案:60°
【加固训练】
　　 1.如图所示,A、B、C为等腰棱镜,a、b两束不同频率的单色光垂直AB边射入棱镜,两束光在AB面上的入射点到OC的距离相等,两束光折射后相交于图中的P点,以下判断正确的是 (　　)
A.在真空中,a光光速大于b光光速
B.在真空中,a光波长大于b光波长
C.a光通过棱镜的时间大于b光通过棱镜的时间
D.a、b两束光从同一介质射入真空过程中,a光发生全反射的临界角大于b光发生全反射的临界角
【解析】选C。因为两束光折射后相交于图中的P点,根据折射定律可知a光的折射率na>nb,a光的频率νa>νb,光在真空中的传播速度相等,A错误;由λ= 得B错误;由v= 和t= 得C正确;根据sin C= 得D错误。
2.如图所示,直角三角形ABC为一三棱镜的截面,∠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i=60°,折射角r=30°。

根据折射定律,得 由几何关系知,光线在AB界面的入射角为
i′=60°,因此sini′=
而棱镜对空气的临界角C的正弦值sinC= = ,则由sini′> sinC知,在AB界面的入射角i′ > C,所以光线在F点将发生全反射。
答案:见解析
　知识点二　光导纤维
问题探究:
　

如图所示是光导纤维的结构示意图,其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构
成,内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高。请问:在制作光导纤维时,选用
的材料为什么要求内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高?
提示:光只有满足从光密介质射入光疏介质,才会发生全反射。而光导纤维要传
播加载了信息的光,需要所有光在内芯中经过若干次反射后,全部到达目的地,所
以需要发生全反射,故内芯对光的折射率必须要比外套对光的折射率高。
【核心归纳】
1.构造及传播原理:
(1)构造:光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝,直径只有1～100 μm,如图所示,它是由内芯和外套两层组成,内芯的折射率大于外套的折射率。
(2)传播原理:光由一端进入,在两层的界面上经过多次全反射,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,就可以传播图像。
2.光导纤维的折射率:设光导纤维的折射率为n,当入射角为i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= , ,C+r=90°,由以上各式可得:sin i= 。
由图可知:当i增大时,r增大,而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小,当i=90°时,若θ=C,则所有进入纤维中的光线都能发生全反射,即解得n= ,以上是光从纤维射向真空时得到的折射率,由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此折射率要比 大些。
【典例示范】
【典例】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的大,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
B.内芯的折射率比外套的小,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
C.内芯的折射率比外套的小,光传播时在内芯与外套的界面上发生折射
D.内芯的折射率与外套的相同,外套的材料有韧性,可以起保护作用
【解析】选A。发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质,所以内芯的折射率大,且光传播在内芯与外套的界面上发生全反射,故选A。
【素养训练】　
(2020·江苏高考)我国的光纤通信技术处于世界领先水平。光纤内芯(内层玻璃)的折射率比外套(外层玻璃)的________(选填“大”或“小”)。某种光纤的内芯在空气中全反射的临界角为43°,则该内芯的折射率为________。(取sin43°=0.68,cos43°=0.73,结果保留2位有效数字)?
【解析】全反射发生在光从光密介质射向光疏介质时,所以为了使光在内芯和外套的界面上发生全反射,光纤内芯的折射率比外套的折射率大,这样才能保证信息的传输。该内芯的折射率为
答案:大　1.5
【加固训练】
　　 1.光纤通信是一种现代化的通信手段,它可以为客户提供大容量、高速度、高质量的通信服务,为了研究问题方便,我们将光导纤维简化为一根长直玻璃管,如图所示。设此玻璃管长为L,折射率为n。已知从玻璃管左端面射入玻璃内的光线在玻璃管的侧面上恰好能发生全反射,最后从玻璃管的右端面射出。设光在真空中的传播速度为c,则光通过此段玻璃管所需的时间为 (　　)　　　　　　　　　　　　　
【解析】选A。用C表示临界角,则有sinC= ,则光在玻璃管中的传播速度为v= 。光在沿玻璃管轴线的方向上做匀速传播。所用时间为
故A正确。
2.(多选)在光纤制造过程中,由于拉伸速度不均匀,会使得拉出的光纤偏离均匀的圆柱体,而呈现圆台形状(如图所示)。已知此光纤长度为L,圆台对应底角为θ,折射率为n,真空中光速为c。现光从下方垂直射入下台面,则 (　　)
A.光从真空射入光纤,光子的频率不变
B.光通过此光纤到达小截面的最短时间为
C.从上方截面射出的光束一定是平行光
D.若满足sinθ> ,则光在第一次到达光纤
侧面时不会从光纤侧面射出
【解析】选A、D。光子的频率由光源决定,与介质无关,所以光从真空射入光纤,
光子的频率不变,故A正确。光通过此光纤到达小截面的最短距离为L,光在光纤
中的传播速度v= ,则光通过此光纤到达小截面的最短时间为t= = ,故B
错误。通过光纤侧面全反射后再从上方截面射出的光束与垂直射出上方截面的
光束不平行,故C错误。设临界角为C,则sinC= 到达光纤侧面光线入射角等于
θ,当θ>C,即有sinθ> ,则光在第一次到达光纤侧面时发生全反射,不会从光
纤侧面射出,故D正确。
3.如图所示,AB为光导纤维,A、B之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间入射,射入后在光导纤维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,求光导纤维所用材料的折射率n。
【解析】设介质的折射率为n,则有sinα=sinC= ①
n= ②
③
由以上三式解得
答案:
【拓展例题】考查内容:全反射中光线范围的确定
【典例】
如图所示,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。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。由 即C<60°,故光线首先发生全反射,作出光路图如图所示,由图中几何关系可得r tan 60°=(R+r)tan 30°,故R=2r,所以选项C正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的(如图所示),一光导纤维内芯折射
率为n1,外层折射率为n2,一束光信号与界面夹角为α由内芯射向外层,要在界面
发生全反射,必须满足的条件是 (　　)
A.n1>n2,α小于某一值
B.n1C.n1>n2,α大于某一值
D.n1【解析】选A。光在内芯和外层的界面上发生全反射,则内芯的折射率n1大于外层
的折射率n2,由于入射角要大于等于临界角,所以α应小于某一值。故A正确,B、
C、D错误。
2.一单色光,在空气中的波长为λ0,在玻璃中的波长为λ,波速为v,玻璃对这种色
光的折射率为n。当此光从玻璃射向空气发生全反射的临界角为A,则 (　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A.sinA=n B.sinA=
C.sinA= D.sinA=
【解析】选D。单色光在空气中传播时,速度为光速c,设其频率为f,则有c=λ0f,
该光在玻璃中传播时,波长为λ,波速为v,则有v=λf,玻璃对此单色光的折射率
为 临界角为A,则有 故D正确,A、B、C错误;故选D。
3. (2020·自贡高二检测)如图所示为单反照相机取景器的示意图,五边形ABCDE为五棱镜的一个截面,AB⊥BC。光线垂直AB射入,分别在CD和EA上发生反射,且两次反射的入射角相等,最后光线垂直BC射出。若两次反射都为全反射,则该五棱镜折射率的最小值是(计算结果可用三角函数表示) (　　)
【解析】选A。作图可知,α=β=γ,又α+β+α+γ=90°,可得入射角α=22.5°,则折射率最小值n= 。
4.(2020·成都高二检测)如图所示,一容器内装有深为h的某透明液体,底部有一点光源K,可向各个方向发光,该透明液体的折射率为n,液面足够宽。已知真空中光的传播速度为c。求:
(1)能从液面射出的光,在液体中经过的最短时间t;
(2)液面上有光射出的区域的面积S。
【解析】(1)光在液体中的速度为v= ,
在液体中经过的最短时间为t,
则有vt=h,
解得t= 。
(2)液面上有光射出的范围是半径为r的圆
光在液面发生全反射的临界角为C,则有sin C= ,
因为r=htan C,
所以
液面上有光射出的面积S=πr2
解得
答案:(1) 　(2)