高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第4章 光的折射和全反射第4节 光导纤维及其应用教课课件ppt

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1.知道光疏介质、光密介质,认识光的全反射现象。(物理观念)2.知道产生全反射的条件,能解释全反射现象,会计算临界角。(科学思维)3.知道全反射棱镜及其应用。(科学思维)4.掌握光导纤维的工作原理及其应用。(科学思维)
一、全反射及其产生条件1.全反射光从玻璃入射到空气中时,折射角　　　　入射角,当入射角增大到一定程度时,　　　　　　完全消失,全部光都被反射回玻璃内,这种现象称为全反射现象。 
2.临界角(1)定义:刚好发生全反射(即折射角等于　　　　)时的　　　　　,用字母C表示。 (2)临界角和折射率的关系①定量关系:当光从折射率为n的某种介质进入真空或空气时的临界角应满足sin C=　　　　。 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。
3.光疏介质和光密介质两种介质比较,折射率　　　　的介质叫作光疏介质,折射率　　　　的介质叫作光密介质。 4.发生全反射的条件(1)光从　　　　介质射入　　　　介质。 (2)入射角　　　　　　临界角。 
二、全反射现象1.解释全反射现象(1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮,是由于光射到气泡上发生了　　　　　。 (2)熏黑的铁球放入水中,看起来会变得锃亮,是由于光射到球和水面之间的空气层发生了全反射。(3)在沙漠里,接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率　　　,从远处物体射向地面的光线的入射角　　　　临界角时,发生全反射,人们就会看到远处物体的倒景即蜃景。 (4)炎热的夏天,在公路上向远处看去,有时路面显得格外明亮光滑,就像被水淋过一样,这也是一种蜃景。
2.全反射棱镜(1)形状:截面为　　　　　　　　　　的棱镜。 (2)光学特性:①如图甲所示,当光　　　　于截面的　　　　　射入棱镜时,光在截面的　　　　上发生全反射,光射出棱镜时,传播方向改变了　　　　(填度数)。 ②如图乙所示,当光垂直于截面的　　　　射入棱镜时,在　　　　　上各发生一次全反射,使光的传播方向改变了　　　　(填度数)。 
(3)应用:制作潜望镜,代替镀银的平面镜等。
三、光导纤维及其应用1.构造把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝,再包上折射率比它　　　　的材料,就制成了光导纤维,简称光纤。 2.原理如图所示,光纤一般由折射率较高的玻璃内心和折射率较低的外层透明介质组成,光在光纤内传播时,由光密介质到光疏介质发生全反射,沿锯齿形路径由光纤的一端传播到另一端。
3.应用(1)光纤通信光纤通信中,先将传送的信息转换为　　　　　,通过光纤将光信号传输到接收端,接收端再将光信号还原为　　　　　。光纤通信的容量远大于电缆,光纤网是信息社会的重要基石,“光纤到户”是信息社会的重要标志。 (2)医用内窥镜:利用光束由光纤的一端传播到另一端,可以将被检查器官的变化情况传回目镜,使医生能够直接观察到。
易错辨析判一判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。(　　)2.光从空气射入水中时可能发生全反射现象。(　　)3.鱼缸中上升的气泡亮晶晶的,是由于光射到气泡上发生了全反射。(　　)4.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。(　　)5.光纤通信的主要优点是容量大。(　　)
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。
即学即用练一练华裔科学家高锟被誉为“光纤通信之父”。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。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.波长越短的光在光纤中传播的速度越大D.频率越大的光在光纤中传播的速度越大
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,故A正确、B错误;频率越大的光波长越短,折射率越大,在光纤中传播速度越小,故C、D错误。
探究一　对全反射的理解
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,这是什么原理呢?
要点提示 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,人就会感觉特别明亮。
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。
例题1　如图所示,某种透明物质制成的直角三棱镜ABC,∠A等于30°,一束光线在纸面内垂直AB边射入棱镜。如图所示,发现光线刚好不能从BC面射出,而是最后从AC面射出。求:(1)透明物质的折射率n;(2)光线从AC面射出时的折射角α的正弦值。
解析 (1)由题意可知,光线从AB边垂直射入,恰好在BC面发生全反射,光线最后从AC面射出,光路图如图所示。
规律方法　分析光的全反射问题的关键根据临界条件画出恰好发生全反射的光路图,再利用几何知识分析边角关系,结合sin C= 求解。
针对训练1如图所示,一束光以45°的入射角从AB面射入透明三棱镜中,棱镜折射率n= 。试求出进入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
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,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。
自行车的尾灯利用了什么原理?
要点提示 利用了全反射的原理。
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信号,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。
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。
规律方法　光导纤维问题的求解思路根据题意“由A点传输到B点”画出入射、折射、全反射的光路图,结合几何知识和临界角求解。
针对训练2 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为全反射的临界角,其中sin φ= )(　　)
1.已知水、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,如果光按下面几种方式传播,可能发生全反射的是(　　)A.从水晶射入玻璃B.从水射入二硫化碳C.从玻璃射入水中D.从水射入水晶
解析 折射率相对较小的介质是光疏介质,折射率相对较大的介质是光密介质,发生全反射的条件之一是光由光密介质射向光疏介质,由此可知选项C正确。
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。
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。
4.(2023河北邢台高二期末)如图所示,某透明体的横截面是半径为R的四分之一圆弧AOB,P点在半径OA上且lOP= R。一光线从P点垂直OA射入透明介质,光线射到圆弧AB上时恰好发生全反射,则透明介质对光线的折射率为(　　)