2017-2018学年同步备课套餐之物理教科版选修3-4课件：第四章 3

第四章,3 光的全反射,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.,内容索引,知识探究,题型探究,达标检测,知识探究,一、全反射现象及条件,如图1，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上.逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化.,图1,答案,答案 逐渐增大入射角，会看到折射光线离法线越来越远，折射角逐渐增大，折射光线越来越弱，反射光线越来越强.当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线.入射侧介质的折射率较大，折射侧介质的折射率较小.,(1)在入射角逐渐增大时，折射角的大小如何变化？ (2)在入射角逐渐增大时，反射光线和折射光线的亮度如何变化？ (3)折射界面两侧的介质的折射率有何不同？,1.光密介质和光疏介质 (1)对于两种介质来说，光在其中传播速度较小的介质，即折射率 的介质叫 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 介质. (2)光疏介质和光密介质是相对的. 2.全反射 (1)定义：光从 介质射到 介质的界面时，全部被反射回原介质的现象.,光密,光疏,光密,光疏,较大,(2)全反射的条件 光需从 介质射至 介质的界面上. 入射角必须等于或 临界角. (3)临界角 定义：光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的 ，称作这种介质的临界角. 临界角C与折射率n的关系：sin C .,大于,入射角,光密,光疏,判断下列说法的正误. (1)光发生全反射时，折射光线消失，只剩下反射光线. ( ) (2)光从一种介质进入另一种介质时，只要入射角足够大就一定会发生全反射现象. ( ) (3)折射率大的介质就是光密介质. ( ) (4)光由介质进入空气，介质的折射率越大，临界角越小. ( ) (5)光发生全反射时，依然遵守反射定律. ( ),×,×,答案 内芯的折射率大.因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端.,二、全反射的应用光导纤维,如图2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.构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？,答案,图2,1.光纤的工作原理：由于有机玻璃的折射率 空气的折射率，当光从有机玻璃棒的一端射入时，可以沿着有机玻璃棒的表面发生多次 ，从另一端射出. 2.光导纤维的构造：由两种折射率不同的玻璃制成，分内、外两层，内层玻璃的折射率比外层玻璃的折射率 .当光从一端进入光纤时，将会在两层玻璃的界面上发生 . 3.光纤通讯的优点是容量 、衰减 、抗干扰能力强、传输速率高. 4.应用：光纤通信；医学上的 .,大于,全反射,大,全反射,小,内窥镜,大,判断下列说法的正误. (1)光纤通信是利用光作为载体来传递信息. ( ) (2)光导纤维传递光信号是利用光的全反射原理. ( ) (3)光在光导纤维中的传播的速度小于光在真空中的光速c . ( ) (4)光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射. ( ),题型探究,一、对全反射的理解,1.对光疏介质和光密介质的理解 (1)光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义. (2)光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中传播速度小. (3)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. (4)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.,2.全反射 (1)全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质；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，光全部反射回原介质，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.,A.假若三条光线中只有一条在O点发生了全反射，那一定是aO光线 B.假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射 C.假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射 D.假若光线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,例1 (多选)如图3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，均由空气沿半圆半 径方向射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置.下列说法 正确的是,解析,答案,图3,解析 三条光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖，在玻璃砖界面，它们的入射角为零，均不会偏折.在玻璃砖直径界面，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，所以选项A对. 假若光线bO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的入射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此，光线cO不一定能发生全反射.所以选项B错，C对.,假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO和光线cO都不能发生全反射，但光线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，即光线bO的反射光线亮度较大，所以D对.,针对训练 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(图中为空气，为介质),解析,答案,解析 由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由 ， 得C45°160°，故在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故选项D正确.,例2 光导纤维的结构如图4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,答案,二、全反射的应用光导纤维,图4,解析 光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率，光在由内芯射向外套时，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，A对.,应用全反射解决实际问题的基本方法： (1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是从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，根据 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(如三角函数、反射定律等)进行判断推理，运算及变换.,三、全反射的定量计算,例3 如图5所示为一圆柱中空玻璃管，管内径为R1，外径为R2，R22R1.一束光线在圆柱横截面内射向玻璃管，为保证在内壁处光不会进入中空部分，问入射角i应满足什么条件？,解析,答案,图5,答案 i30°,解析 光路图如图，设第一次折射的折射角为r，全反射临界角为C，折射率为n，由折射定律有 ， ；在图示三角形中，由数学知识可得： .综上解得：i30°，所以为保证在内壁处光不会进入中空部分，入射角i应满足i30°.,达标检测,1.关于光导纤维的说法正确的是 A.光导纤维是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大 B.光导纤维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.光导纤维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，光导纤维必须呈笔直状态，因为弯曲的光纤是不能导 光的,解析,答案,1,2,3,4,解析 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.,1,2,3,4,2.如图所示，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，下图能正确描述其光路的是,答案,1,2,3,4,解析,解析 光从玻璃砖射向空气时，如果入射角大于临界角，则发生全反射；如果入射角小于临界角，则在界面处既有反射光线，又有折射光线，但折射角应大于入射角，选项A正确，选项C错误. 当光从空气射入玻璃砖时，在界面处既有反射光线，又有折射光线，且入射角大于折射角，选项B、D错误.,1,2,3,4,答案,解析,1,2,3,4,3.如图6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.(已知光在真空中的传播速度为c),图6,答案,1,2,3,4,解析 设介质的折射率为n，则有,4.用某种透明材料制成的一块柱体形棱镜的水平截面 图如图7所示，圆心为O，FD为圆周.光线以入射角 160 °射到棱镜AB面，经折射后，光线到达BF面 上的O点并恰好不从BF面射出. (1)画出光路图；,1,2,3,4,图7,答案,解析,答案 见解析图,解析 光路图如图所示,1,2,3,4,答案,解析,答案,(2)求该棱镜的折射率n和光线在棱镜中传播的速度大小v(光在真空中的传播速度c3.0×108 m/s).,1,2,3,4,解析 设光线在AB面的折射角为2，折射光线与OD的夹角为C， 则 由题意可知，光线在BF面恰好发生全反射 由图可知，2C90° 联立以上各式解得n1.3(或 )又 ， 可解得v2.3×108 m/s(或 ×108m/s),