2021学年第四章 光第二节 全反射导学案及答案

这是一份2021学年第四章 光第二节 全反射导学案及答案，共14页。学案主要包含了自主预习，重点探究，巩固练习，参考答案等内容，欢迎下载使用。
4.2.2《全反射》课题全反射年级高二知识点来源 高中物理 > 教材同步 > 人教版（2019） > 选择性必修 第一册 > 第四章 光 > 2. 全反射学习目标物理观念：1.知道什么是光疏介质和光密介质，理解它们具有相对性.2.理解全反射现象，掌握临界角的概念和全反射的条件.3.了解全反射棱镜和光导纤维．科学思维：利用全反射条件，应用临界角公式解答相关问题．科学探究：采用实验观察、猜想、验证、归纳的方法得出全反射现象的发生条件、临界角概念等．学习重难点1. 全反射现象2. 临界角【自主预习】一、全反射1．光疏介质和光密介质(1)光疏介质：折射率较　　(填“大”或“小”)的介质．(2)光密介质：折射率较　　(填“大”或“小”)的介质．(3)光疏介质与光密介质是　　(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．若入射角增大到某一角度，　　光线完全消失，只剩下　　光线的现象．(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于　　时的入射角．用字母C表示，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＝.(3)全反射发生的条件①光从　　介质射入　　介质．②入射角　　　　　临界角．二、全反射棱镜1．形状：截面为　　三角形的棱镜．2．全反射棱镜的特点(1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生　　，与平面镜相比，它的反射率很高．(2)反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真　　．三、光导纤维1．原理：利用了光的　　．2．构造：由内芯和外套两层组成．内芯的折射率比外套的　　，光传播时在内芯与外套的界面上发生　　．3．光纤通信的优点是容量　　、衰减　　、抗干扰性强等．4．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．1．判断下列说法的正误．(1)入射角大于临界角就会发生全反射现象．(　　　)(2)光密介质是指密度大的介质．(　　　)(3)制作全反射棱镜的材料的折射率一定大于.(　　)(4)光在光导纤维中的传播速度小于光在真空中的光速c.(　　　)2．一束光从某介质进入真空，方向如图1所示，则该介质的折射率为________；逐渐增大入射角，光线将________(填“能”或“不能”)发生全反射；若使光发生全反射，应使光从________射入________，且入射角大于等于________．图1【重点探究】一、全反射当光从水中射向与玻璃的交界面时，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？1．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．2．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1　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Ⅰ为空气，Ⅱ为介质)(　　)二、全反射棱镜如图所示，已知玻璃的折射率为1.5，甲图中当光线垂直BC面入射时，光线到达AC面的入射角是多少？能否发生全反射？乙图中当光线垂直AC面入射时，光线到达AB面的入射角是多少？能否发生全反射？全反射棱镜改变光路的几种情况　　　入射方式项目　　方式一方式二方式三光路图入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光线方向改变角度90°180°0°(发生侧移) 例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2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(　　)图2三、光导纤维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．构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？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3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．图3(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、图象．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恰好发生全反射，则有：sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝.由图4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n＝.图4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3　如图5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)图5四、全反射的应用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)若光由介质进入空气(真空)时，则根据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、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、运算及变换并进行动态分析或定量计算．例4　一厚度为h的玻璃板水平放置，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)，求玻璃板的折射率．    【巩固练习】一、选择题考点一　对全反射的理解1．关于全反射，下列叙述中正确的是(　　)A．发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱B．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C．光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象D．光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象2．(多选)酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到在一定的距离之外，地面显得格外的明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影．但当你靠近“水面”时，它也随你的靠近而后退，对此现象的正确解释是(　　)A．同海市蜃楼的光学现象具有相同的原理，是由于光的全反射作用造成的B．“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉C．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率大，发生全反射D．太阳辐射到地面，使地面温度升高，折射率小，发生全反射3.(多选)(2018·厦门一中高二下学期期中)夏天，海面上的下层空气的温度比上层低．我们设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平气层组成的，远处的景物发出的光线由于不断被折射，越来越偏离原来的方向，以至发生全反射．人们逆着光线看去就出现了蜃景，如图1所示，下列说法中正确的是(　　)图1A．海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B．海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要大C．A是蜃景，B是景物D．B是蜃景，A是景物4．(多选)如图2所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，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(　　)图2A．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5．(2018·北京101中学高二下学期期中)如图所示，将一个半圆形玻璃砖置于空气中，当一束单色光入射到玻璃砖的圆心O时，下列情况不可能发生的是(　　)考点二　全反射棱镜6．自行车尾灯采用了全反射棱镜的原理，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自行车尾灯上，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．尾灯由透明介质做成，其外形如图3所示．下列说法中正确的是(　　)图3A．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射B．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射C．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射D．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射考点三　光导纤维7．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(　　)图4A．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8．光导纤维技术在现代生产、生活与科技方面得以广泛应用．如图5所示是一个质量分布均匀的有机玻璃圆柱的横截面，B、C为圆上两点，一束单色光沿AB方向射入，然后从C点射出，已知∠ABO＝127°，∠BOC＝120°，真空中光速c＝3×108 m/s，sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6.则(　　)图5A．光在该有机玻璃中传播速度为1.875×108 m/sB．光在该有机玻璃中的折射率为1.8C．光在该有机玻璃中发生全反射的临界角为53°D.若将该材料做成长300 km的光导纤维，此单色光在光导纤维中传播的最短时间为1×10－3 s考点四　全反射的应用9．如图6所示，光液面传感器有一个像试管模样的玻璃管，中央插一块两面反光的玻璃板，入射光线在玻璃管内壁与反光板之间来回发生反射，进入玻璃管底部，然后在另一侧反射而出(与光纤原理相同)．当透明液体的折射率大于管壁玻璃的折射率时，就可以通过光液面传感器监测出射光的强弱来判定玻璃管是否被液体包住了，从而了解液面的高度．以下说法正确的是(　　)图6A．玻璃管被液体包住之后，出射光强度增强B．玻璃管被液体包住之后，出射光消失C．玻璃管被液体包住之后，出射光强度减弱D．玻璃管被液体包住之后，出射光强度不变10．如图7所示，一个透明玻璃球的折射率为，一束足够强的细光束在过球心的平面内，以45°入射角由真空射入玻璃球后，在玻璃球与真空的交界面处发生多次反射和折射，从各个方向观察玻璃球，能看到从玻璃球内射出的光线的条数是(　　)图7A．2  B．3  C．4  D．5二、非选择题11．如图8所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧状，一细束单色光由MN端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF上发生全反射，然后垂直PQ端面射出．图8(1)求该玻璃棒的折射率；(2)若将入射光向N端平移，当第一次射到弧面EF上时________(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射．12.图9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.图9(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．13.(2017·全国卷Ⅲ)如图10，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO′表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)．已知玻璃的折射率为1.5.现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)．求：图10(1)从球面射出的光线对应的入射光线到光轴距离的最大值；(2)距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离． 【参考答案】【自主预习】一、1．小　大　相对2．折射　反射　90°　光密　光疏　等于或大于二、1．等腰直角　2．全反射　小三、全反射　全反射　大　小×××√　能　介质　真空　45°【重点探究】一、全反射不正确．要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质．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． 例1D解析　由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sin  C＝＝，得C＝45°＜θ＝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．二、全反射棱镜45°　能发生全反射　45°　能发生全反射例2　B解析　四个选项的光路图如图所示：可知B项正确．三、光导纤维内芯的折射率大．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．例3　 解析　设光导纤维所用材料的折射率为n，则有sin α＝sin C＝n＝t＝＝由以上三式解得t＝＝，所以n＝.[学科素养]　例3这道题是全反射知识的应用，注意挖掘题目中隐含条件，“恰好”“刚好”暗含的条件是入射角等于临界角．本题意在考查学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力，体现了“科学思维”的学科素养．四、全反射的应用例4　　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板上表面A′点恰好发生全反射，则有sin C＝又由几何关系：sin C＝其中L＝R－r联立以上各式解得n＝＝.【巩固练习】1．C解析　发生全反射时折射光线消失，所以选项A错误；发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，二者缺一不可，所以选项B、D错误，选项C正确．2．AD3. AC解析　由题意，夏天海面上的下层空气的温度比上层低，下层空气的密度比上层大，折射率也比上层大，故A正确，B错误；我们可以把海面上的空气看作是由折射率不同的许多水平气层组成的．远处的景物发出的光线射向空中时，由于不断被折射，越来越偏离法线方向，进入上层的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中，而产生了“海市蜃楼”现象．可见，题图中A是全反射形成的蜃景，B是景物，故C正确，D错误．4．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，则选项C正确；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，但是，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，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．5．B解析　当光由空气射入半圆形玻璃砖时，折射角应小于入射角，所以A可能发生，B不可能发生；当光由半圆形玻璃砖射入空气时，若入射角小于临界角，既有反射又有折射，折射角大于入射角，C是可能发生的；当光由半圆形玻璃砖射入空气时，若入射角大于或等于临界角，会发生全反射，光线就不能进入空气，D可能发生．6．B7．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，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，A对．8．A解析　根据折射定律得：n＝＝＝1.6，则光在该有机玻璃中传播的速度为v＝＝ m/s＝1.875×108 m/s，故A正确，B错误；根据sin C＝得，sin C＝＝0.625<sin 53°，所以发生全反射的临界角不是53°，故C错误；当光线与光导纤维平行时，传播的时间最短，则传播的最短时间t＝＝＝ s＝1.6×10－3 s，故D错误．9．C解析　玻璃管被液体包住之前，由于玻璃管之外是光疏介质空气，光线发生全反射，没有光线从玻璃管中射出．当玻璃管被透明液体包住之后，因为液体的折射率大于玻璃的折射率，光线不再发生全反射，有一部分光线进入液体，反射光的强度会减弱，故C项正确．10．B解析　设光在该玻璃球中发生全反射的临界角是C，则sin C＝＝，解得C＝45°；光在玻璃球中的折射率n＝，解得θ＝30°.光路图如图所示，所以共3条光线射出玻璃球．11． (1)　(2)能　解析　(1)因为一细束单色光由MN端面中点垂直射入，如图所示，可知光到达弧面EF界面时入射角为45°，又因为恰好发生全反射，所以临界角C＝45°，由sin  C＝可知，该玻璃棒的折射率n＝＝.(2)若将入射光向N端平移，第一次射到弧面EF上的入射角将增大，即大于临界角45°，所以能发生全反射．12. (1)sin i≤ 　(2)　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由①②③④得sin i≤ ⑤(2)光在玻璃丝中传播速度的大小为v＝⑥光速在玻璃丝轴线上的分量为vx＝vsin α⑦光线从玻璃丝端面AB传播到另一端面所需时间为t＝⑧光线在玻璃丝中传播，在刚好发生全反射时，光线从端面AB传播到另一端面所需的时间最长，此时sin α＝⑨由⑥⑦⑧⑨得tmax＝.13. (1)R　(2)2.74R　解析　(1)如图甲，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角C时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离OA为l.i＝C①设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsin C＝1②由几何关系有sin i＝③联立①②③式并利用题给条件，得l＝R④(2)如图乙，设与光轴相距的入射光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有nsin i1＝sin r1⑤设折射光线与光轴的交点为D，在△OBD中，由正弦定理有＝⑥由几何关系有∠BDO＝r1－i1⑦sin i1＝⑧联立⑤⑥⑦⑧式及题给条件得OD＝R≈2.74R.