粤教版 (2019)选择性必修 第一册第三节 光的全反射与光纤技术导学案及答案

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第三节　光的全反射与光纤技术[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念、科学思维理解全反射现象和临界角的概念，知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件物理观念能够解释全反射现象，了解全反射棱镜科学态度与责任掌握光导纤维的工作原理及其重要应用知识点一　光的全反射现象1．光的全反射当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大．当入射角达到一定角度，折射角变成90°，继续增大入射角，折射角将大于90°．此时，入射光线全都被反射回折射率较大的介质中，这种现象称为光的全反射．2．临界角在光的全反射现象中，折射角等于90°时的入射角，记作ic且sin ic＝．3．发生光的全反射的两个必要条件(1)光线从光密介质射入光疏介质；(2)入射角等于或大于临界角．知识点二　光导纤维的工作原理1．光纤及原理光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端，其原理就是利用了光的全反射．2．光纤的构造光纤用的是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，光纤由纤芯和包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率．知识点三　光纤技术的实际应用1．光缆可以用来传送图像，医学上用来检查人体消化道的内窥镜就是利用了这种性质．2．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络进入千家万户．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．(1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象． (×)(2)光密介质，是指介质的折射率大，密度不一定大． (√)(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． (×)2．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，如果光按以下几种方式传播，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C　[发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故只有C正确．]3．华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理奖，他被誉为“光纤通讯之父”．光纤通讯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中正确的是(　　)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A　[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，A对、B错；频率大的光波长短，折射率大，在光纤中传播速度小，C、D错．] 考点1　全反射光照到两种介质界面处，发生了如图所示的现象．(1)上面的介质与下面的介质哪个折射率大？(2)全反射发生的条件是什么？提示：(1)下面的介质折射率大．(2)一是光由光密介质射入光疏介质；二是入射角大于等于临界角．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：种类光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大(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．2．全反射规律(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．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．【典例1】　一厚度为h的大平板玻璃水平放置，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)，求平板玻璃的折射率．[思路点拨]　(1)由圆纸片恰好完全挡住圆形发光面的光线可确定临界角．(2)根据sin ic＝可计算折射率．[解析]　根据全反射定律，圆形发光面边缘发出的光线射到玻璃板上表面时入射角为临界角(如图所示)，设为θ，且sin θ＝．根据几何关系得：sin θ＝，而L＝R－r，联立以上各式，解得n＝．[答案]　全反射定律的应用技巧(1)首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可．(2)分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键．(3)当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性．(4)认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证．[跟进训练]训练角度1　全反射现象的理解1．(多选)一束光从某介质进入真空，方向如图所示，则下列判断中正确的是(　　)A．该介质的折射率是B．该介质的折射率是C．该介质相对真空发生全反射的临界角小于45 °D．光线按如图所示的方向入射，无论怎样改变入射方向都不可能发生全反射现象BC　[上面是介质，下面是真空，入射角i＝30°，折射角r＝60°，则折射率n＝＝＝，故选项A错误，B正确；sin ic＝＝＜，则C＜45°，故选项C正确；光线按如图所示的方向入射，当入射角大于临界角时，就会发生全反射现象，故选项D错误．]训练角度2　全反射与折射定律的综合2．如图所示，半圆形透明介质的横截面，其半径为R．一束光从半圆形透明介质的左边缘以入射角60°射入透明介质，光束在半圆形透明介质的弧形面发生两次反射后刚好从半圆形透明介质的另一边缘射出．已知光在真空中传播的速度为c．求：(1)半圆形透明介质的折射率；(2)光线在半圆形透明介质中传播的时间；(3)半圆形透明介质的全反射临界角．[解析]　(1)由图中几何关系可知，光束折射角r＝30°，由折射定律，玻璃砖的折射率n＝＝．(2)光线在半圆形透明介质中传播的速度v＝＝，光线在半圆形透明介质中传播的距离L＝3R，光线在半圆形透明介质中传播的时间t＝＝．(3)由sin ic＝，得ic＝arcsin．[答案]　(1)　(2)　(3)arcsin 考点2　光导纤维的应用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，内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高．请问：在制作光导纤维时，选用的材料为什么要求内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高？提示：光只有满足从光密介质射入光疏介质，才会发生全反射．而光导纤维要传播加载了信息的光，需要所有光在内芯中经过若干次反射后，全部到达目的地，所以需要发生全反射，故内芯对光的折射率必须要比外套对光的折射率高．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，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．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，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：sin ic＝，n＝，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝．由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝ic，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从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．【典例2】　如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率n＝的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出来，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大．(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少．[思路点拨]　(1)由光导纤维的折射率可计算临界角．(2)光在光导纤维侧面上发生全反射现象，计算出光的总路程，根据光速可求出传播时间．[解析]　(1)由n＝可得v≈2.1×108 m/s．(2)由n＝可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射．同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面．由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝≈2.7×10－8s．[答案]　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10－8s光导纤维问题的解题关键第一步：抓关键点．关键点获取信息光导纤维工作原理：全反射光束不会侧漏光束在侧壁发生全反射第二步：找突破口．“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题．[跟进训练]3．光纤通信是一种现代化的通信手段，它可以为客户提供大容量、高速度、高质量的通信服务，为了研究问题方便，我们将光导纤维简化为一根长直玻璃管，如图所示．设此玻璃管长为L，折射率为n．已知从玻璃管左端面射入玻璃内的光线在玻璃管的侧面上恰好能发生全反射，最后从玻璃管的右端面射出．设光在真空中的传播速度为c，则光通过此段玻璃管所需的时间为(　　)A．　　B．　　C．　　D．A　[用C表示临界角，则有sin C＝，则光在玻璃管中的传播速度为v＝．光在沿玻璃管轴线的方向上做匀速传播．所用时间为t＝＝＝．故A正确．]1．物理观念：全反射现象、临界角．2．科学思维：全反射规律．3．科学态度与责任：光纤通信．1．(多选)下列事例哪些应用了光的全反射现象(　　)A．海市蜃楼B．用三棱镜观察太阳光谱C．某些光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°D．水中的鱼看起来比实际的要浅AC　[海市蜃楼和光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°是利用了光的全反射现象，故A、C项正确；用三棱镜观察太阳光谱和水中的鱼看起来比实际的要浅，都是光的折射现象，故B、D项错误．]2．(多选)下列说法中正确的是(　　)A．因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质B．因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质C．同一束光，在光密介质中的传播速度较大D．光疏介质和光密介质相对于折射率来确定，与密度无关BD　[光在各种介质中的传播速度和介质相对真空的折射率都是不同的．两种介质相比较光在其中传播速度大，而折射率小的介质叫光疏介质；光在其中传播速度小，而折射率大的介质叫光密介质．光疏介质和光密介质与密度无关，A、C错误，B、D正确．]3．(多选)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．光纤通信利用光作为载体来传递信息B．光导纤维传递光信号是利用光沿直线传播的原理C．光导纤维传递光信号是利用光的色散原理D．目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝AD　[光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝．故A、D正确，B、C错误．]4．如图所示，口径较大、充满水的薄壁圆柱形浅玻璃缸底有一发光小球，则(　　)A．小球必须位于缸底中心才能从侧面看到小球B．小球所发的光能从水面任何区域射出C．小球所发的光从水中进入空气后频率变大D．小球所发的光从水中进入空气后传播速度变大D　[小球发出的光先从水中传播，然后再射入空气中，故我们从侧面就可以看到小球，选项A错误；由于光从水中射入空气中，故当入射角大于临界角时，光会发生全反射，故球所发的光不是从水面任何区域都能够射出的，选项B错误；光从水中进入空气后频率不变，由于折射率变小，故光的传播速度变大，选项C错误，D正确．]5．如图所示，AB为光导纤维，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．[解析]　设介质的折射率为n，则有sin α＝sin C＝， ①n＝， ②t＝＝， ③由以上三式解得t＝＝，所以n＝．[答案]