物理选择性必修 第一册2 全反射导学案

这是一份物理选择性必修 第一册2 全反射导学案，共11页。
1．理解光疏介质和光密介质，了解“疏”与“密”是相 对的。
2．理解光的全反射，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。
知识点一 全反射
[情境导学]
图甲中荷叶上晶莹透亮的小水珠、图乙中水里的小气泡、图丙中玻璃玩具里的小气泡看上去格外明亮，请思考上述情境是什么原因造成的？
提示：是光的全反射现象。
[知识梳理]
1．光疏介质和光密介质：对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质，光疏介质和光密介质是相对的。
2．全反射：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．全反射的发生条件
(1)光线从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C与折射率n的关系：sin C＝eq \a\vs4\al(\f(1,n))。
[初试小题]
1．判断正误。
(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)一种介质不是光疏介质就是光密介质。(×)
(4)光由光疏介质射入光密介质后速度减小。(√)
2．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
解析：选C 发生全反射时折射光线的能量为零，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。
知识点二 全反射棱镜与光导纤维
[情境导学]
图1中的全反射棱镜、图2中的光导纤维都应用了光的全反射原理，其构造有什么特点？
提示：全反射棱镜的截面是等腰直角三棱镜；光导纤维是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大。
[知识梳理]
1．全反射棱镜
(1)形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。
(2)光学特征
①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，光射出棱镜时，传播方向改变了90°。
②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180°。
(3)应用：用于双筒望远镜中。
2．光导纤维及其应用
(1)原理：利用了光的全反射。
(2)构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，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)应用
①医学上用光纤制成内窥镜。
②用于光纤通信，其特点是传输容量大、能量衰减小、抗干扰性及保密性强等。
[初试小题]
1．判断正误。
(1)截面为三角形的棱镜是全反射棱镜。(×)
(2)沿着任意方向射入全反射棱镜的光都能发生全反射。(×)
(3)光导纤维内芯的折射率比外套的折射率小。(×)
(4)光在光导纤维中传播时，在内芯和外套的界面上发生全反射。(√)
2．下列选项为光线由空气进入全反射玻璃棱镜再由棱镜射入空气的光路图，可以发生的是( )
解析：选A 光垂直横截面是等腰直角三角形的棱镜的某直角边射入棱镜时，在斜边发生全反射，故A正确。
3．光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务。目前我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络，下列说法正确的是( )
A．光导纤维传递光信号是利用光的直线传播原理
B．光纤通信利用光作为载体来传递信号
C．光导纤维传递光信号是利用光的折射原理
D．目前广泛应用的光导纤维是一种非常粗的特制玻璃丝
解析：选B 光纤通信利用光纤的全反射特性来传递光信息，信息量大、信号好、不失真。光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝，当光射入时满足光的全反射条件，从而发生全反射，最终实现传递信息的目的，B选项正确，A、C、D选项错误。
[问题探究]
如图所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。逐渐增大入射角，观察并比较甲、乙、丙三图中反射光线和折射光线有什么变化？
提示：(1)图甲→图乙：入射角增大，反射角、折射角都增大。
(2)图丙中折射光线消失，发生了全反射。
[要点归纳]
1．对光疏介质和光密介质的理解
注意：“光疏”与“光密”是从介质的光学特性来说的，与其密度大小无必然关系。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．全反射现象的理解
(1)全反射的条件(两个条件同时具备，缺一不可)
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)从能量角度看：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。
[例题1] 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ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为eq \r(2)，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eq \f(1,3)
B．光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq \f(2,3)
C．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将增大
D．若DE发出的单色光频率变小，AA′C′C面有光出射的区域面积将减小
[解析] 由全反射临界角与折射率的关系sin C＝eq \f(1,n)＝eq \f(1,\r(2))可知，临界角为45°，即光线垂直BC方向射出在AC面恰好发生全反射，由几何知识可知光从AA′C′C面出射的区域占该侧面总面积的eq \f(1,2)，所以A、B项错误；若DE发出的单色光频率减小，则折射率n随之减小，由sin C＝eq \f(1,n)可知，其临界角增大，所以AA′C′C面有光出射的区域面积将增大，C项正确， D项错误。
[答案] C
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)若由光密介质进入空气，则根据sin C＝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，进行动态分析或定量计算。
[针对训练]
1．两束不同频率的平行单色光a、b分别由水射入空气发生如图所示的折射现象(α＜β)，下列说法正确的是( )
A．随着a、b入射角度的逐渐增加，a先发生全反射
B．水对a的折射率比水对b的折射率大
C．a、b在水中的传播速度va＞vb
D．a、b入射角为0°时，没有光线射入空气中
解析：选C 随着a、b入射角度的逐渐增加，折射角均增大，因为αθ2。则下列判断正确的是( )
A．θ1逐渐增大时θ2也逐渐增大，有可能发生全反射现象
B．θ1逐渐减小时θ2也逐渐减小，有可能发生全反射现象
C．θ1逐渐增大时θ2将逐渐减小，有可能发生全反射现象
D．θ1逐渐增大时θ2也逐渐增大，但不可能发生全反射现象
解析：选D 由n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)可知，θ1逐渐增大时，θ2也逐渐增大，但因θ1>θ2，MM′上方为光疏介质，故θ1再大，也不能发生全反射现象，D正确。
对全反射的理解
光疏介质
光密介质
定义
折射率相对较小
的介质
折射率相对较大
的介质
传播速度
由n＝eq \f(c,v)得v光密＜v光疏
折射特点
(1)光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角；
(2)光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角
相对性
光疏介质、光密介质是相对的，某介质相对于甲介质是光疏介质，而相对于乙介质可能是光密介质。例如：酒精(n1＝1.36)相对于水晶(n2＝1.55)是光疏介质，而相对于水(n3＝1.33)是光密介质
全反射的应用
颜色
红橙黄绿青蓝紫
频率ν
低→高
同一介质中的折射率
小→大
同一介质中的速度
大→小
同一介质中的波长
大→小
通过同一棱镜的偏折角
小→大
同一介质中的临界角
大→小