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高中人教版 (2019)2 全反射教学演示ppt课件
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这是一份高中人教版 (2019)2 全反射教学演示ppt课件，共36页。PPT课件主要包含了内容索引，学习目标，思维导图，课前篇自主预习，课堂篇探究学习，答案556%等内容，欢迎下载使用。
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念(物理观念)2.理解全反射的条件,能计算有关问题和解释相关现象(科学思维)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(科学态度与责任)
[自主阅读]一、全反射1.光密介质和光疏介质对于折射率不同的两种介质,折射率较大的叫光密介质,折射率较小的叫光疏介质。2.全反射当光从光密介质射入光疏介质时,同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大,折射光离法线会越来越远,而且越来越弱,反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象叫作全反射,这时的入射角叫作临界角。
3.临界角C与折射率n的关系(1)定量关系:光从介质射入空气(真空)时,(2)定性关系:介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小,越容易发生全反射。4.全反射的条件必须同时具备以下两个条件:(1)光从光密介质射入光疏介质。(2)入射角等于或大于临界角。
二、全反射棱镜和光导纤维1.全反射棱镜截面为等腰直角三角形的玻璃棱镜,当光线垂直任意一个表面射入时,在棱镜内部都能发生全反射,所以这样的棱镜叫全反射棱镜。2.光导纤维(1)工作原理:光在有机玻璃棒内发生全反射,沿锯齿形路线传播。(2)构造: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。(3)用途:传递声音、图像及各种数字信号,实现光纤通信。
[自我检测]1.正误判断(1)密度大的介质就是光密介质,密度小的介质就是光疏介质。( )解析 光密与光疏是从介质的光学特征上来讲的,与密度大小无关。答案 ×(2)光从空气射入水中时可能发生全反射现象。( )答案 ×(3)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成。( )答案 ×(4)光纤通信有传输容量大的特点。( )答案 √
2.(多选)若水、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,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D.从水晶射入水解析 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。答案 ACD
3.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
[情境探究]夏季的早晨,从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮,玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮,这是什么道理呢?要点提示 一部分光发生了全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就会感觉特别明亮。
[知识归纳]1.对光疏介质和光密介质的理解(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。
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。
[典例剖析]例题1(多选)(2021浙江高二月考)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB'C'C面的线状单色可见光光源,DE与三棱镜的ABC面垂直,D位于线段BC的中点。图乙为图甲中ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为 ,只考虑由DE直接射向侧面AA'C'C的光线。下列说法正确的是( )
A.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的B.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的C.若三棱镜的折射率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将增大D.若三棱镜的折射率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将减小
解析 由题意可知sin C= ,可知临界角为45°,因此从D点发出的光,竖直向上从M点射出的光线恰好是出射光线的边缘,同时C点也恰好是出射光线的边缘,如图所示,因此光线只能从MC段射出,根据几何关系可知,M恰好为AC的中点,因此在AA'C'C平面上有一半的面积有光线出射,
A正确,B错误;折射率变小,导致临界角会增大,这时M点上方也会有光线出射,因此出射光线区域的面积将增大,C正确,D错误。答案 AC
规律总结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 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,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,刚好能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。确定边界光线时,关键是确定光线在什么位置时入射角等于临界角。
变式训练1(2021浙江高二期末)如图所示,一半径为R的玻璃半球,折射率为1.5,现有一束均匀的平行光垂直入射到整个半球的底面上,进入玻璃半球的光线中不能直接从半球面出射的光线所占的百分比为多少?
[情境探究]在桌子上放一枚硬币,取一只玻璃杯,里面盛满水,然后把玻璃杯压在硬币上。从杯壁看去,硬币不见了。但是从杯口向下望,硬币还在那里。这是什么原理?要点提示 全反射。
[知识归纳]1.光导纤维的构造及传播原理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,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输光,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、图像以及各种数字信号。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.全反射棱镜全反射棱镜是利用全反射改变光路以便于观察。在图甲中的等腰直角三角形ABC表示一个全反射棱镜的横截面,它的两直角边AB和BC表示棱镜上两个互相垂直的侧面。如果光线垂直地射到AB面上,光在棱镜内会沿原来的方向射到AC面上。由于入射角(45°)大于光从玻璃射入空气的临界角(42°),光会在AC面上发生全反射,沿着垂直于BC的方向从棱镜射出(图甲)。如果光垂直地射到AC面上(图乙),沿原方向射入棱镜后,在AB、BC两面上都会发生全反射,最后沿着与入射时相反的方向从AC面上射出。在光学仪器里,常用全反射棱镜来代替平面镜,改变光的传播方向。图丙是全反射棱镜应用在潜望镜里的光路图。
[典例剖析]例题2如图所示,AB为一直光导纤维,AB之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间入射,射入后在光导纤维内芯与外套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。
要点笔记 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。与此题相关的一类求极值的问题,极值存在的条件均与全反射临界角有关。
变式训练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,其框外光线如图甲所示。方框内有两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。图乙给出了两棱镜四种放置方式的示意图,其中能产生图甲效果的是( )
解析 四个选项产生的光路效果如图所示。则可知选项B正确。答案 B
1.光在某种介质中传播的速度为1.5×108 m/s,光从此介质射向空气并发生全反射时的临界角是( )A.15°B.30°C.45°D.60°答案 B
2.关于光纤的下列说法正确的是( )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 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,选项C正确。答案 C
3.某种介质相对空气的折射率是 ,一束光从该介质射向空气,入射角是60°,则下列光路图正确的是(图中Ⅰ为空气,Ⅱ为介质)( )解析 由题意知,光由光密介质射向光疏介质,由 ,得C=45°<60°,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。答案 D
4.(多选)如图所示,ABCD是两面平行的透明玻璃砖,AB面和CD面平行,设为界面Ⅰ和界面Ⅱ,光线从界面Ⅰ射入玻璃砖,再从界面Ⅱ射出,回到空气中,如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角,则( )
A.只要入射角足够大,光线在界面Ⅰ上就可能发生全反射现象B.只要入射角足够大,光线在界面Ⅱ上就可能发生全反射现象C.不管入射角多大,光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象D.不管入射角多大,光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象
解析 在界面Ⅰ上,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,则A错误,C正确;在界面Ⅱ上,光由玻璃砖进入空气,是由光密介质进入光疏介质,但是界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,因此光在界面Ⅱ上的入射角总是小于全反射临界角,故不会发生全反射现象,则B错误,D正确。答案 CD
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念(物理观念)2.理解全反射的条件,能计算有关问题和解释相关现象(科学思维)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(科学态度与责任)
[自主阅读]一、全反射1.光密介质和光疏介质对于折射率不同的两种介质,折射率较大的叫光密介质,折射率较小的叫光疏介质。2.全反射当光从光密介质射入光疏介质时,同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大,折射光离法线会越来越远,而且越来越弱,反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象叫作全反射,这时的入射角叫作临界角。
3.临界角C与折射率n的关系(1)定量关系:光从介质射入空气(真空)时,(2)定性关系:介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小,越容易发生全反射。4.全反射的条件必须同时具备以下两个条件:(1)光从光密介质射入光疏介质。(2)入射角等于或大于临界角。
二、全反射棱镜和光导纤维1.全反射棱镜截面为等腰直角三角形的玻璃棱镜,当光线垂直任意一个表面射入时,在棱镜内部都能发生全反射,所以这样的棱镜叫全反射棱镜。2.光导纤维(1)工作原理:光在有机玻璃棒内发生全反射,沿锯齿形路线传播。(2)构造: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。(3)用途:传递声音、图像及各种数字信号,实现光纤通信。
[自我检测]1.正误判断(1)密度大的介质就是光密介质,密度小的介质就是光疏介质。( )解析 光密与光疏是从介质的光学特征上来讲的,与密度大小无关。答案 ×(2)光从空气射入水中时可能发生全反射现象。( )答案 ×(3)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成。( )答案 ×(4)光纤通信有传输容量大的特点。( )答案 √
2.(多选)若水、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,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D.从水晶射入水解析 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。答案 ACD
3.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
[情境探究]夏季的早晨,从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮,玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮,这是什么道理呢?要点提示 一部分光发生了全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就会感觉特别明亮。
[知识归纳]1.对光疏介质和光密介质的理解(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。
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。
[典例剖析]例题1(多选)(2021浙江高二月考)截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB'C'C面的线状单色可见光光源,DE与三棱镜的ABC面垂直,D位于线段BC的中点。图乙为图甲中ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为 ,只考虑由DE直接射向侧面AA'C'C的光线。下列说法正确的是( )
A.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的B.光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的C.若三棱镜的折射率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将增大D.若三棱镜的折射率变小,AA'C'C面有光出射的区域面积将减小
解析 由题意可知sin C= ,可知临界角为45°,因此从D点发出的光,竖直向上从M点射出的光线恰好是出射光线的边缘,同时C点也恰好是出射光线的边缘,如图所示,因此光线只能从MC段射出,根据几何关系可知,M恰好为AC的中点,因此在AA'C'C平面上有一半的面积有光线出射,
A正确,B错误;折射率变小,导致临界角会增大,这时M点上方也会有光线出射,因此出射光线区域的面积将增大,C正确,D错误。答案 AC
规律总结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 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,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,刚好能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。确定边界光线时,关键是确定光线在什么位置时入射角等于临界角。
变式训练1(2021浙江高二期末)如图所示,一半径为R的玻璃半球,折射率为1.5,现有一束均匀的平行光垂直入射到整个半球的底面上,进入玻璃半球的光线中不能直接从半球面出射的光线所占的百分比为多少?
[情境探究]在桌子上放一枚硬币,取一只玻璃杯,里面盛满水,然后把玻璃杯压在硬币上。从杯壁看去,硬币不见了。但是从杯口向下望,硬币还在那里。这是什么原理?要点提示 全反射。
[知识归纳]1.光导纤维的构造及传播原理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,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输光,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、图像以及各种数字信号。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.全反射棱镜全反射棱镜是利用全反射改变光路以便于观察。在图甲中的等腰直角三角形ABC表示一个全反射棱镜的横截面,它的两直角边AB和BC表示棱镜上两个互相垂直的侧面。如果光线垂直地射到AB面上,光在棱镜内会沿原来的方向射到AC面上。由于入射角(45°)大于光从玻璃射入空气的临界角(42°),光会在AC面上发生全反射,沿着垂直于BC的方向从棱镜射出(图甲)。如果光垂直地射到AC面上(图乙),沿原方向射入棱镜后,在AB、BC两面上都会发生全反射,最后沿着与入射时相反的方向从AC面上射出。在光学仪器里,常用全反射棱镜来代替平面镜,改变光的传播方向。图丙是全反射棱镜应用在潜望镜里的光路图。
[典例剖析]例题2如图所示,AB为一直光导纤维,AB之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间入射,射入后在光导纤维内芯与外套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。
要点笔记 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。与此题相关的一类求极值的问题,极值存在的条件均与全反射临界角有关。
变式训练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,其框外光线如图甲所示。方框内有两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。图乙给出了两棱镜四种放置方式的示意图,其中能产生图甲效果的是( )
解析 四个选项产生的光路效果如图所示。则可知选项B正确。答案 B
1.光在某种介质中传播的速度为1.5×108 m/s,光从此介质射向空气并发生全反射时的临界角是( )A.15°B.30°C.45°D.60°答案 B
2.关于光纤的下列说法正确的是( )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 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,选项C正确。答案 C
3.某种介质相对空气的折射率是 ,一束光从该介质射向空气,入射角是60°,则下列光路图正确的是(图中Ⅰ为空气,Ⅱ为介质)( )解析 由题意知,光由光密介质射向光疏介质,由 ,得C=45°<60°,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。答案 D
4.(多选)如图所示,ABCD是两面平行的透明玻璃砖,AB面和CD面平行,设为界面Ⅰ和界面Ⅱ,光线从界面Ⅰ射入玻璃砖,再从界面Ⅱ射出,回到空气中,如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角,则( )
A.只要入射角足够大,光线在界面Ⅰ上就可能发生全反射现象B.只要入射角足够大,光线在界面Ⅱ上就可能发生全反射现象C.不管入射角多大,光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象D.不管入射角多大,光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象
解析 在界面Ⅰ上,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,则A错误,C正确;在界面Ⅱ上,光由玻璃砖进入空气,是由光密介质进入光疏介质,但是界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,因此光在界面Ⅱ上的入射角总是小于全反射临界角,故不会发生全反射现象,则B错误,D正确。答案 CD
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