高中物理3 光的全反射课文内容ppt课件

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1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角等概念。2.知道光的全反射现象及其产生的条件。3.初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。
1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角等概念,形成正确物理观念。2.理解光的全反射的条件,能判断是否发生全反射,并能解决有关的问题,形成科学思维。3.了解光纤的原理及其应用,形成科学思维。
一、全反射现象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,即折射率较大的介质叫作光密介质;光在其中传播速度较大的介质,即折射率较小的介质叫作光疏介质。(2)光疏介质和光密介质是相对的。2.全反射: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。3.当光从一种介质传播到另一种介质一定能发生全反射吗?答案:不一定。只有光从光密介质向光疏介质传播时才能发生全反射。
二、发生全反射的条件1.临界角(1)定义:光从某种介质射向真空或空气、折射角为90°时的入射角,称作这种介质的临界角。
2.全反射的条件(1)光需从光密介质射至光疏介质的界面上。(2)入射角必须等于或大于临界角。
3.当光从水中射入玻璃的交界面时,只要入射角足够大就会发生全反射,这种说法正确吗?为什么?答案:不正确。要发生全反射必须使光从光密介质射入光疏介质,而水相对玻璃是光疏介质,所以不管入射角多大都不可能发生全反射。
三、全反射的应用——光导纤维1.光纤的工作原理:由于有机玻璃的折射率大于空气的折射率,当光从有机玻璃棒的一端射入时,可以沿着有机玻璃棒的曲面发生多次全反射,从另一端射出。2.光纤构造
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(如图所示)。
3.光纤通信的优点:容量大、衰减小、抗干扰性强等。4.光纤的应用:光纤除应用于光纤通信外,还可应用于医学上的内窥镜等。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)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。(　　)(2)折射率大的介质就是光密介质。(　　)(3)光由介质进入空气,介质的折射率越大,临界角越小。(　　)(4)光发生全反射时,依然遵守反射定律。(　　)(5)光在光导纤维中传播的速度小于光在真空中的光速c。(　　)(6)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。(　　)
2.关于光的全反射现象,下列说法错误的是(　　)A.只有光从光疏介质射入光密介质时,才可能发生全反射B.全反射临界角和介质的折射率有关C.全反射反射率比平面镜反射率高D.“光纤通信”就是利用了全反射的原理答案:A
解析:根据全反射发生的条件可知,只有光从光密介质射入光疏介质时,才有可能发生全反射,故A错误;由临界角公式sin C= 知,全反射临界角和介质的折射率有关,故B正确;全反射反射率比平面镜反射率高,故C正确;“光纤通信”就是利用了全反射的原理,故D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
答案:A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正确。
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?
提示:光照射露珠或经玻璃照射气泡时,一部分光会发生全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,光的能量大了,人就会感觉特别明亮。
1.光疏介质和光密介质(1)不同介质的折射率不同,我们把折射率较小的介质称为光疏介质,折射率较大的介质称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。
(2)光疏介质和光密介质的比较
2.全反射现象(1)全反射的条件:①光由光密介质射入光疏介质。②入射角大于或等于临界角。(2)全反射遵循的规律:①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。②全反射的临界角C和折射率n的关系:sin C= 。(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,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,反射光线的能量等于入射光线的能量。
不同色光的临界角由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同。频率越大的光,折射率也越大,所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时,频率越大的光的临界角越小,越易发生全反射。
【例题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(　　)A.假若三条光线中只有一条在O点发生了全反射,那一定是光线aOB.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答案:ACD
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,那一定是光线aO,因为它的入射角最大,所以选项A正确;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错误,C正确;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,所以选项D正确。
(1)光的反射和全反射均遵循光的反射定律,光路均是可逆的。(2)光线射向两种介质的界面上时,往往同时发生光的折射和反射现象,但在全反射现象中,只发生反射,不发生折射。入射角等于临界角时,折射角等于90°,实际上已经没有折射光线了。
【变式训练1】 很多公园的水池底都装有彩灯,若已知n蓝>n红,当一细束由红、蓝两色光组成的灯光从水中斜射向空气时,关于光在水面发生的反射和折射现象,下列光路图可能正确的是(　　)
答案:C解析:红光、蓝光都要发生反射,水对红光的折射率较小,所以蓝光发生全反射的临界角比红光小,蓝光发生全反射时,红光不一定发生,故只有C正确。
如图所示,自行车后面有尾灯,它虽然本身不发光,但在夜间行驶时,从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上时,会有较强的光被反射回去,使汽车司机注意到前面有自行车。那么自行车的尾灯利用了什么原理?
提示:利用了全反射的原理。
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(如三角函数、反射定律等)进行判断推理、运算及变换。
【例题2】 一厚度为h的大平板玻璃水平放置,其下表面贴有一半径为r的圆形发光面。在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片,圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上。已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射),求平板玻璃的折射率。
解析:如图所示,从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线射到玻璃上表面
【变式训练2】 如图所示,在某种液体内,有一横截面为正三角形的薄壁透明圆锥罩ABC,底面水平,罩内为空气。发光点D位于AB中点,发出的垂直于BC的光恰好不能射出液面。下列说法正确的是(　　)A.D发出的光照射到CB界面时可能发生全反射B.液面上方能够看到透明罩所有位置都被照亮
解析:发出的光照射到CB界面时,是从光疏介质向光密介质入射,不能发生全反射,故A错误;发光点D发出的垂直于BC的光垂直于BC恰好不能射出液面,可知点D发出的垂直于BC的光垂直于BC以下的部分不能射出界面,所以在液面上方不能够看到透明罩所有位置都被照亮,故B错误;由几何关系可知,发光点D发出的垂直于BC的光垂直于BC进入液体后,在上边的界面处的入射角等于60°,恰好不能射出液面,则临界角为60°,所以折射率
【变式训练3】 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边是否有光线射出,写出分析过程。(不考虑多次反射)
解析:(1)光路图如图所示,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'、折射角依题意也为i。
有i=60°由折射定律有sin i=nsin rnsin r'=sin i解得r=r'OO'为过M点的法线,
∠C为直角,OO'∥AC由几何关系得∠MNC=r'由反射定律可知∠PNA=∠MNC解得∠PNA=r由几何关系得r=30°
(2)设在N点的入射角为i″,由几何关系得i″=60°此三棱镜的全反射临界角满足nsin θC=1则i″>θC此光线在N点发生全反射,三棱镜的AC边没有光线射出。
右图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。内芯和外套的两种介质,哪种折射率大?为什么?
提示: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。
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,直径只有几微米到一百微米,如图所示,它是由内芯和外套两层组成的,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信号,光信号又可以转换成电信号,进而变为声音、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θ1时,进入光导纤维的光线传到侧面
由图可知,当θ1增大时,θ2增大,由光导纤维射向空气的光线的入射角θ减小,当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射,即解得
以上是光从光导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。
【例题3】 如图所示,AB为一直光导纤维,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)
解析:设光导纤维所用材料的折射率为n,则有
(1)发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质,且入射角大于或等于临界角。(2)光导纤维利用了光的全反射,所以内芯的折射率一定大于外套的折射率。
【变式训练4】 光纤通信利用光的全反射将大量信息高速传输。如图所示,一条圆柱形的光导纤维,长为L,玻璃芯的折射率为n1,外层材料的折射率为n2,光在空气中的传播速度为c,若光从它的一端射入经全反射后从另一端射出所需的最长时间为t,则下列说法正确的是(图中所示的φ为全反射的
解析:刚好发生全反射的条件是入射角等于临界角,且光从光密介质射到光
1.(全反射的认识)(多选)关于全反射,下列说法正确的是(　　)A.发生全反射时,仍有折射光线,只是折射光线非常弱,因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B.光线从光密介质射向光疏介质时,一定会发生全反射C.光线从光疏介质射向光密介质时,不可能发生全反射D.水或玻璃中的气泡看起来特别亮,是因为一部分光从水或玻璃射向气泡时,在界面发生了全反射答案:CD
解析:光从光密介质射向光疏介质时,当入射角增大到某一角度后,折射光线完全消失,只剩下反射光线的现象叫全反射,故选项A、B错误,C正确;光从水或玻璃射向气泡时,一部分光线在界面发生了全反射,即反射光增强,透射光减弱,就使气泡看起来特别亮,选项D正确。
2.(全反射的应用)自行车上的红色尾灯不仅是装饰品,也是夜间骑车的安全指示灯,它能把来自后面的光照反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率n> )组成,棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜,先后经过AC边和BC边反射后,从AB边的O'点射出,则出射光线是(　　)A.平行于AC边的光线①B.平行于入射光线的光线②C.平行于CB边的光线③D.平行于AB边的光线④答案:B
解析:因为折射率n> ,该棱镜为全反射棱镜,入射光线在AC边和CB边经过两次全反射,方向改变180°,出射光线为②,选项B正确。
3.(全反射的应用)如图所示,一束单色光沿半圆柱形玻璃砖的半径垂直ab面入射,有光线从ab面射出。以O点为圆心,将玻璃砖缓慢转过θ角时,恰好没有光线从ab面射出,则该玻璃砖的折射率为(　　)
解析:玻璃砖转过θ角,法线也转过θ角。则光线的入射角为θ,此时恰好发生
4.(光导纤维的原理)下图为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图,玻璃丝长为L,折射率为n,AB代表端面。已知光在真空中的传播速度为c。
(1)为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面,求光线在端面AB上的入射角应满足的条件。(2)求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间。
解析:(1)设光线在端面AB上C点的入射角为i,折射角为r,光路图如图所示。由折射定律有sin i=nsin r①设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为α,为了使该光线可在此光导纤维中传播,应有α≥θ②式中θ是光线在玻璃丝内发生全反射的临界角,它满足nsin θ=1③由几何关系得α+r=90°④