物理选择性必修 第一册2 全反射教课ppt课件

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一、全反射1.光密介质和光疏介质 与介质的密度无关对于折射率不同的两种介质,折射率较　　的叫光密介质,折射率较　　的叫光疏介质。 2.全反射当光从　　　　介质射入　　　　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　　　　时,折射光完全消失,只剩下　　　　,这种现象叫作全反射,这时的入射角叫作　　　　　　。 　　　　从能量角度来理解,反射光的能量等于入射光的能量
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,sin C=　　　　　。 (2)定性关系:介质的折射率越　　,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　　　　介质。 (2)入射角　　　　　　　　　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。
情境链接如图所示,在一个盛满清水的烧杯内放两支试管,甲管内装入清水,乙管内是空气。当你观察两支试管时,你会发现有一支试管特别明亮,是哪一支试管?为什么?
提示 乙试管。光从水射向试管内的空气时,在乙管表面发生了全反射现象,大量的反射光进入人眼中,看起来就显得特别明亮。
教材拓展教材P92例题告诉我们,在潜水员看来,岸上的景物都出现在一个顶角为2C的倒立圆锥里。若潜水员下潜深度增大,水的折射率不变,他所看到的“倒立圆锥的顶角”是否变化?潜水员看到的岸上的景物与在岸上看到的有什么不同?
提示 不变;潜水员看到的岸上的景物是倒立的虚像,像的位置比实际位置偏高。
易错辨析(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)光从玻璃射入空气中时一定能发生全反射现象。(　　)(4)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。(　 )(5)光纤一般由折射率大的玻璃内芯和折射率小的外层透明介质组成。( )(6)光纤通信传输容量大。(　　)
光密与光疏是介质的光学特征,与密度无关。
光从光密介质(水)射入光疏介质(空气)时,才可能发生全反射。
发生全反射的条件一是光从光密介质射入光疏介质,二是入射角等于或大于临界角,二者缺一不可。
探究点一　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。
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。
【例1】 (多选)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。图乙为图甲中三棱镜的正视图。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。
方法技巧　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,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。3.确定临界光线位置的思路:从光源发出的特殊方向光线或射到物体的边界光线入手,分析光线的入射角随入射点变化的增减情况,确定在何位置入射角等于临界角。
对点演练1.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?
探究点二　全反射的应用
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?
1.光导纤维的构造及传播原理(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。
(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。(3)用途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。如医用内窥镜、光纤通信等。
2.全反射棱镜(1)形状:截面为等腰直角三角形的棱镜。(2)光学特性①如图甲所示,当光垂直于截面的直角边射入棱镜时,光在截面的斜边上发生全反射,射出棱镜时,光的传播方向改变了90°。②如图乙所示,当光垂直于截面的斜边射入棱镜时,在直角边上各发生一次全反射,射出棱镜时,光的传播方向改变了180°。
(3)应用①代替镀银的平面镜,不但能改变光的传播方向,而且反射率几乎到达100%。②制作潜望镜,光路图如图丙所示。
【例2】 如图所示,AB为一直光导纤维,两端面之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间A点入射,射入后在光导纤维内芯与外套的界面上恰好发生全反射并从B点射出,外套的折射率为1,光由A点传输到B点所用时间为t。(1)求光导纤维内芯所用材料的折射率n0。(2)若光导纤维内芯的折射率为n,在端面上入射光的入射角i满足什么条件时,才能使光在光导纤维中不断发生全反射,从一端传到另一端?(可用正弦值表示)
(2)如图所示,当光线入射角为i时,折射角为r,进入侧面的入射角为β,则r+β=90°,i增大则r增大,故当β=C,即光线传到侧面恰好发生全反射时,入射角最大,设为im。
对点演练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。
1.(临界角与折射率、传播速度的关系)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°
2.(光导纤维的构造、导光原理)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.(光的全反射现象)如图所示,将塑料瓶下侧开一个小孔,瓶中灌入清水,水就从小孔流出。将激光水平射向塑料瓶小孔,观察到激光束沿水流方向发生了弯曲,光被完全限制在水流内。则下列说法正确的是(　　)A.激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生折射B.激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射C.仅改用折射率更大的液体,激光束不能完全被限制在水流内D.激光在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度
解析 激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射,就像光导纤维一样,选项A错误,B正确;仅改用折射率更大的液体,根据sin C= ,则临界角较小,光束仍可在水流中发生全反射,同样能完全被限制在水流内,选项C错误;根据 可知,激光在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度,选项D错误。
4.(全反射的条件)(2023河北邢台高二期末)如图所示,某透明体的横截面为半径为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(　　)
5.(光的折射定律、全反射条件的应用)(2021广东卷)如图所示,一种光学传感器是通过接收器Q接收到光的强度变化而触发工作的,光从挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中,测得入射角为α,折射角为β,光从P点射向外侧N点,刚好发生全反射并被Q接收。求光从玻璃射向空气时临界角θ的正弦值表达式。