物理选择性必修 第一册全反射课时练习

这是一份物理选择性必修 第一册全反射课时练习，共5页。试卷主要包含了光疏介质和光密介质，全反射现象等内容，欢迎下载使用。

知识点一 全反射
1．光疏介质和光密介质
(1)光疏介质：折射率较小(填“大”或“小”)的介质．
(2)光密介质：折射率较大(填“大”或“小”)的介质．
(3)光疏介质与光密介质是相对(填“相对”或“绝对”)的．
2．全反射现象
(1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射．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，只剩下反射光的现象．
(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角．光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是sin C＝eq \f(1,n).
(3)全反射发生的条件
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．
知识点二 全反射棱镜
1．形状：截面为等腰直角三角形的棱镜．
2．全反射棱镜的特点：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．
知识点三 光导纤维
1．原理：利用了光的全反射．
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．光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等．
4．光纤通信的优点是传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等．
易错易混点一 全反射发生条件
易错易混点1.1对光密介质和光疏介质认识不清。
例1． 下列说法中正确的是( )
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，所以任何情况下水都是光疏介质
C．同一束光，在光密介质中的传播速度较大
D．同一束光，在光密介质中的传播速度较小
【答案】D
【解析】
两种介质的折射率大小关系与密度大小无关，A错误；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，但是不是任何情况下的水都是光疏介质，比如水相对于空气是光密介质，B错误；由v＝eq \f(c,n)可知，光在光密介质中的速度较小，D正确，C错误．
易错易混点1.1剖析
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．
易错易混点1.2对全反射发生条件认识不清。
例2． 如图所示为一块建筑用幕墙玻璃的剖面图，在其上建立直角坐标系xOy，设该玻璃的折射率沿y轴正方向均匀发生变化．现有一单色光a以某一入射角θ由空气射入该玻璃内部，且单色光a在该玻璃内部的传播路径如图中实线所示．则玻璃的折射率沿y轴正方向发生变化的情况是( )
A．折射率沿y轴正方向均匀减小
B．折射率沿y轴正方向均匀增大
C．折射率沿y轴正方向先均匀减小后均匀增大
D．折射率沿y轴正方向先均匀增大后均匀减小
【答案】A
【解析】
由于光线从空气射入玻璃，折射光线逐渐向x轴方向偏折，说明入射角小于折射角，后来发生全反射，故该光学材料的折射率沿y轴正方向均匀减小，A正确．
易错易混点1.2剖析
全反射
(1)发生全反射的条件：
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)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，即折射光线的能量减小，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的能量．
易错易混点二 临界角
易错易混点2.1对临界角概念不清晰
例3．如图所示，一束入射光AO从某种介质以入射角α射入空气，以O点为圆心、R1为半径画圆C1，与折射光线OB交于M点，过M点向两介质的交界面作垂线，与入射光线AO的延长线交于N点，以O点为圆心、ON为半径画另一个圆C2，测得该圆的半径为R2，下列说法中不正确的是( )
A．该介质的折射率为eq \f(R2,R1)
B．若光由介质射入空气发生全反射，则临界角的正弦值为sinC＝eq \f(R1,R2)
C．若过圆C1与界面的交点D作界面的垂线交圆C2于P点，则OP与法线所夹的锐角等于全反射的临界角
D．若入射光的强度保持不变，逐渐增大入射角α，则折射光的强度将逐渐增加
【答案】D
【解析】
由图可知，介质的折射率n＝eq \f(sinβ,sinα)，而sinβ＝eq \f(OE,R1)， sinα＝eq \f(OE,R2)，解得n＝eq \f(R2,R1)， A正确；全反射的临界角sinC＝eq \f(1,n)， sinC＝eq \f(R1,R2)， B正确；过D作DP, sin∠OPD＝eq \f(R1,R2)，故∠OPD＝C, C正确；当α增大时，折射光强度应减弱，D错误．
易错易混点2.1剖析
临界角
(1) 定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角为全反射的临界角，用C表示．
(2) 表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰好等于90°， n＝eq \f(sin90°,sinC)，即 sinC＝eq \f(1,n) .
(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．
易错易混点2.2对全反射光路图不清晰
例4. 一束光以45°的入射角从AB面射入如图所示的透明三棱镜中，棱镜折射率n＝eq \r(2).试求光在AB面的折射角，并在图中画出该光束在棱镜中的光路．
【答案】30° 光路图见解析
【解析】
设光由AB面上的O点射入，由折射定律得，
sin r＝eq \f(sin i,n)＝eq \f(\f(\r(2),2),\r(2))＝eq \f(1,2)，所以折射角r＝30°.
设光线射到AE面上的D点，由几何关系得OD∥BE，
由几何知识可知光线在AE面上的入射角为θ＝45°.
又sin C＝eq \f(1,n)＝eq \f(1,\r(2))＝eq \f(\r(2),2)，所以C＝45°.
因为θ＝45°，故光线在AE面上发生全反射，由几何知识可知，光线将垂直于BE面射出，其光路图如图所示．
易错易混点2.2剖析
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sinC＝eq \f(1,n)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．
针对训练
1. (多选)关于全反射，下列说法正确的是( )
A．光从光密介质射向光疏介质时可能发生全反射
B．光从光疏介质射向光密介质时可能发生全反射
C．光从折射率大的介质射向折射率小的介质时可能发生全反射
D．光从传播速度小的介质射向传播速度大的介质时可能发生全反射
【答案】ACD
【解析】
全反射的条件之一是光从光密介质射向光疏介质，折射率大的介质相对于折射率小的介质是光密介质，同一种光在不同介质中传播，传播速度小的介质相对于传播速度大的介质是光密介质，故A、C、D正确，B错误．
2. (多选)如图所示，ABCD是两面平行的足够大的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的分界面，分别设为界面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
【答案】
CD
【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，都不可能发生全反射现象，选项C正确，A错误；在界面Ⅱ上光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，则界面Ⅱ上的入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D正确，B错误．
3. 水中的空气泡、玻璃中的空气泡，看上去比较亮，对这一现象表述正确的是( )
A．空气泡对光线有会聚作用
B．空气泡对光线有发散作用
C．从空气泡到达水或玻璃与气泡分界面处的光一部分发生全反射形成的
D．从水中或玻璃中射到空气泡界面处的光一部分发生全反射形成的
【答案】
D
【解析】
当光从水中或玻璃中射到空气泡的界面处时，一部分光的入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象，所以水中的空气泡和玻璃中的空气泡看起来比较亮，故选D.
4. 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n＝1.5的全反射玻璃棱镜．下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图．其中能产生图中效果的是( )
【答案】
B
【解析】
四个选项的光路图如图所示：
可知B项正确．
5. 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，下列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，光由内芯射向外套时，在界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，A对．
6. (2022·福州一中月考)如图所示，一玻璃工件折射率为n，左侧是半径为R的半球体，右侧是长为8R、直径为2R的圆柱体，一细光束频率为f，沿半球体半径方向射入工件，最终这束光都能到达圆柱体的右端面，忽略光在圆柱体端面的反射，已知光在真空中的传播速度为c.求：
(1)光在玻璃工件中的波长；
(2)光在工件中传播的最长时间．
【答案】 见解析
【解析】
(1)光在玻璃工件中的速度v＝eq \f(c,n)
波长λ＝eq \f(v,f)，
解得光在玻璃工件中的波长λ＝eq \f(c,nf).
(2)设光在圆柱体中发生全反射时的入射角为α，传播到右端面的路程为s，
则sin α＝eq \f(8R,s)，
光在工件中传播的时间t＝eq \f(s＋R,v)，
即t＝(eq \f(8,sin α)＋1)eq \f(nR,c)
当α为最小值时，t有最大值，此时sin α＝eq \f(1,n)
故tmax＝eq \f((8n2＋n)R,c).
7. 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线反射回去，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>eq \r(2))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和CB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①
B．平行于入射光线的光线②
C．平行于CB边的光线③
D．沿AB边的光线④
【答案】 B
【解析】
由题意可知，折射率n>eq \r(2)，且
sin C＝eq \f(1,n)，
得临界角小于45°，由题知，光从O点垂直AB边射入棱镜，光线不偏折．当光从棱镜射向空气时，入射角等于45°，发生全反射，根据几何关系，结合光路可逆可知，出射光线是②，即平行于入射光线．故选B.
8. 如图所示是两个城市间光缆中的一条光导纤维的一段，光缆总长为L，它的玻璃芯的折射率为n1，外层材料的折射率为n2.若光在空气中的传播速度近似为c，则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程，下列判断中正确的是( )
A．n1n2，光通过光缆的时间大于eq \f(n1L,c)
【答案】D
【解析】
光从光密介质射入光疏介质，才可能发生全反射，故n1>n2；光在内芯传播的路程s＝eq \f(L,sin θ)，光在内芯的传播速度v＝eq \f(c,n1)，所以光通过光缆的时间t＝eq \f(s,v)＝eq \f(n1L,csin θ)>eq \f(n1L,c)，故D正确．
9. 如图所示，一束单色光沿半圆柱形玻璃砖的半径垂直于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( )
A.eq \f(1,sin \f(θ,2)) B.eq \f(1,sin θ)
C.eq \f(1,sin 2θ) D.eq \f(1,2sin θ)
【答案】B
【解析】
由题意，将玻璃砖缓慢转过θ角时，恰好没有光线从ab面射出，说明光线发生了全反射，此时在ab面的入射角恰好等于临界角，即有i＝C，而入射角i＝θ，则临界角C＝θ.由临界角公式sin C＝eq \f(1,n)得n＝eq \f(1,sin C)＝eq \f(1,sin θ)，故B选项正确．
10. (2020·浙江7月选考)如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角θ＝60°时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与入射光平行．已知真空中的光速为c，则( )
A．玻璃砖的折射率为1.5
B．O、P之间的距离为eq \f(\r(2),2)R
C．光在玻璃砖内的传播速度为eq \f(\r(3),3)c
D．光从玻璃到空气的临界角为30°
【答案】 C
【解析】
光路图如图所示．设O、P之间的距离为x，当θ＝60°时，折射角为r，分析可知，光从玻璃砖圆形表面射出时与玻璃砖的界面交点为Q，结合出射光线与入射光线平行知，过P点的法线与过Q点的法线平行，则玻璃砖的折射率n＝eq \f(sin θ,sin r)＝eq \f(sin θ\r(R2＋x2),x)
又沿P点垂直入射的光恰好发生全反射，
则sin C＝eq \f(1,n)＝eq \f(x,R)
解得x＝eq \f(\r(3),3)R，n＝eq \r(3).
sin C＝eq \f(\r(3),3)>eq \f(1,2)，则临界角C>30°
光在玻璃砖中的传播速度v＝eq \f(c,n)＝eq \f(\r(3),3)c，故C正确，A、B、D错误．重点+难点
核心素养解读
1.知道光疏介质和光密介质，理解它们的相对性.
2.知道光的全反射，会利用全反射解释有关现象.
3.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应的光路图.
4.了解全反射棱镜和光导纤维．
1.物理观念：理解光的全反射，建立全反射的概念，
掌握临界角的概念．
2. 科学探究：观察演示实验，发现光的全反射的规律，归纳全反射发生的条件．
光的传播速度
折射率
光疏介质
大
小
光密介质
小
大