高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册2 全反射课文内容ppt课件

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目 标 素 养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,形成正确的物理观念。3.利用全反射条件,应用临界角公式解答相关问题,培养科学思维能力。4.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用,培养分析解决实际问题的能力。
一、全反射1.光疏介质和光密介质。
2.定义:当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,这种现象叫作全反射,这时的入射角叫作临界角。3.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。
4.临界角与折射率的关系。(1)定量关系:光由某种介质射入空气(或真空)时,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。
微判断1 1.密度大的介质就是光密介质。(　　)2.两种介质相比较,折射率大的介质是光密介质。(　　)3.光密介质和光疏介质具有绝对性。(　　)
二、全反射的应用1.全反射棱镜:截面为等腰直角三角形的棱镜,利用全反射改变光的方向。2.光导纤维:由折射率较大的内芯和折射率较小的外套组成,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
微判断2 1.光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射。(　　)2.全反射棱镜和平面镜都是根据全反射原理。(　　)3.光纤通信的主要优点是容量大。(　　)
一 对全反射现象的理解
重难归纳1.对光疏介质和光密介质的理解。(1)光疏介质和光密介质图示分析。
(2)光疏介质与光密介质的比较。
(3)与介质密度无关。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,酒精的密度比水的小,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。同时折射光线减弱,即折射光线能量减小,反射光线增强,能量增加,当入射角达到临界角时,折射光线完全消失,反射光的能量等于入射光的能量。
(4)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。
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,越容易发生全反射。
七种色光能否在同一界面上同时发生全反射?提示:能。如果光从光密介质射入光疏介质,并且入射角大于等于红光的临界角,则七种色光能在同一界面上同时发生全反射。
典例剖析【例1】如图所示,直角三棱镜ABC的斜边AB长为l, ∠C=90°,∠A=θ(未知),一束单色光从斜边上某点(非中点)垂直入射到棱镜中,已知棱镜折射率为n=2,单色光在真空中的传播速度为c。(1)求θ在什么范围内,入射光能够经过两次全反射又从斜边射出。(2)若θ=45°,该单色光从斜边某处垂直入射到棱镜中,通过棱镜后出射光与入射光的距离为 ,求此单色光通过三棱镜的时间。
解析:(1)光的传播方向如图所示,欲使入射光在左侧直角边发生全反射,须满足sin θ≥ ,解得θ≥30°
光反射至右侧直角边时,入射角为90°-θ,欲使入射光在该边发生全反射,须满足sin (90°-θ)≥ ,解得θ≤60°所以θ的范围为30°≤θ≤60°。
规律总结全反射问题的处理技巧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.若光由光密介质进入光疏介质,则根据 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、进行动态分析或定量计算。
学以致用1.如图所示,半径为R的玻璃球体,球心为O,AB为水平直径,M点是玻璃球的最高点。光线BD从D点射出,出射光线平行于AB。已知∠ABD=30°,光在真空中的传播速度为c,则(　　)A.此玻璃的折射率为2B.光从B到D需用时C.若减小∠ABD,从AD段射出的光线仍平行于ABD.若增大∠ABD,光线不可能在DM段发生全反射现象答案:B
二 全反射棱镜　光导纤维
重难归纳1.全反射棱镜。横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜。它在光学仪器里,常用来代替平面镜,改变光的传播方向。光通过全反射棱镜时的几种方式:
2.光导纤维。(1)光导纤维:用光密介质制成的用来传导光信号的纤维状的装置。实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径只有几微米到一百微米,一定程度上可以弯折,由内芯和外套组成。
(2)光纤原理:“光纤通信”利用了全反射原理。如图所示,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,使反射光的能量最强,实现远距离传送。
(3)光纤的应用:载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入,就可以传到千里以外的另一端,实现光纤通信。
“沙漠蜃景”是怎么形成的?提示:(1)气候条件:太阳照到沙地上,接近沙面的热空气层比上层空气的密度小,折射率也小。(2)光路分析:从远处物体射向地面的光线,进入折射率小的热空气层时被折射,入射角逐渐增大,可能发生全反射。
(3)虚像的形成:人们逆着反射光线看去,就会看到远处物体的倒影,仿佛是从水面反射出来的一样。沙漠里的行人常被这种景象所迷惑,以为前方有水源而奔向前去,但总是可望而不可即。
典例剖析【例2】 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(如图)的入射角为i,折射角为r,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时的临界角,
规律总结对光导纤维折射率的要求
由图可知:(1)当θ1增大时,θ2增大,而从光纤射向空气中光线的入射角θ减小;(2)当θ1=90°时,若θ=C,则所有进入光纤中的光线都能发生全反射,即有n= ,以上是光从光纤射向真空时得到的折射率;(3)由于光导纤维包有外套,外套的折射率比真空的折射率大,因此光导纤维折射率要比 大些。
学以致用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,其框外光线如图所示。方框内有两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。下列四种两棱镜的放置方式,能产生图示效果的是(　　)
解析:四个选项产生光路效果如图所示。
1.下列各图是某一单色光由空气射入截面为等腰梯形的玻璃砖,或由该玻璃砖射入空气时的光路图,其中正确的是(　　) (已知该玻璃砖对该单色光的折射率为1.5)
A.图甲、图丙B.图甲、图丁C.图乙、图丙D.图乙、图丁答案:C
2.如图所示,在某种液体内,有一轴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:D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,故选项A错误。由题知,发光点D发出的垂直于BC的光恰好不能射出液面,可知点D发出的在垂直于BC以下部分的光不能射出液面,所以在液面上方不能够看到透明罩所有位置都被照亮,故选项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,在上边的液面处的入射角等于60°,恰好不能射出液面,则临界角为60°,所以折射率 , 故选项C正确,D错误。
3.目前,大部分运营公司升级了200 M光纤入户,网速更快,使用更方便。光纤信号传输利用了光的全反射和折射原理,图中是某种单色光在光纤中的传播路径,其经过多次全反射后从右端射出。若该介质的折射率为 ,则关于α、β的大小,下列判断正确的是(　　) A.α60°,选项A、B错误。光线在下表面能发生全反射且从端点能射出,则β>60°,选项C正确,D错误。
4.如图所示,一个三棱镜的截面为等腰直角△ABC,∠A为直角。此截面所在平面内的光线沿平行于BC边的方向射到AB边,进入棱镜后直接射到AC边上,并刚好能发生全反射。该棱镜材料的折射率为(　　)
5.如图所示,一长方体透明玻璃砖在底部挖去半径为R的半圆柱,玻璃砖长为l。一束单色光垂直于玻璃砖上表面射入玻璃砖,且覆盖玻璃砖整个上表面,已知该单色光在玻璃砖中的折射率为 ,真空中的光速c=3.0×108 m/s,不考虑光在玻璃砖中的多次反射。求:(1)单色光在玻璃砖中的传播速度;(2)半圆柱面上有光线射出的表面积。