高中物理教科版 (2019)选择性必修 第一册3 光的全反射图文ppt课件

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必备知识·自主预习储备
知识点一　全反射现象及发生全反射的条件1．光疏介质和光密介质(1)光疏介质：折射率较___(填“大”或“小”)的介质。(2)光密介质：折射率较___(填“大”或“小”)的介质。(3)光疏介质与光密介质是_____(填“相对”或“绝对”)的。
(3)全反射发生的条件①光从_____介质射入_____介质。②入射角___________临界角。思考　光从光密介质进入光疏介质一定会发生全反射吗？提示：不一定。
体验　1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)(1)因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质。(　　)(2)同一束光，在光密介质中的传播速度较大。 (　　)(3)发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线。(　　)
知识点二　全反射的应用1．全反射棱镜(1)形状：截面为_________三角形的玻璃砖。(2)全反射棱镜的特点：当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生_______，与平面镜相比，它的反射率很高。
2．光导纤维(1)原理：利用了光的_______。(2)构造：由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的___，光传播时在内芯与外套的界面上发生_______。(3)光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。(4)光纤通信的优点是传输容量___、衰减___、抗干扰性及保密性强等。
体验　2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)(1)全反射棱镜可以使光线传播的方向改变90°。(　　)(2)用任意一种材料制作的等腰直角三棱镜都是全反射棱镜。(　　)(3)全反射棱镜和平面镜相比，反射时能量损失要小。(　　)(4)光导纤维传递光信号是利用光的直线传播的原理。(　　)
3：填空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。内芯的折射率比外套的________，光传播时在内芯与________的界面上发生全反射。
[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。[答案]　大　外套
关键能力·情境探究达成
考点1　对全反射的理解　考点2　全反射现象的应用　　
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？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．光疏介质和光密介质的分析：(1)光疏介质和光密介质的比较。
考点1　对全反射的理解
(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、光密与密度的关系：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，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。
(1)为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出，求θ的取值范围；
[答案]　0＜θ＜45°(或θ＜45°)　
(2)若θ＝37°，求两种频率的光通过整个展宽器的过程中，在空气中的路程差ΔL(保留3位有效数字)。
[答案]　14.4 mm
全反射问题的解题方法解决全反射问题的关键点有两个(1)准确熟练地作好光路图。(2)抓住特殊光线进行分析。求光线照射的范围时，关键是找出边界光线。如果发生全反射，刚能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。
[跟进训练]1．(2021·江苏卷)某种材料制成的半圆形透明砖平放在方格纸上，将激光束垂直于AC面射入，可以看到光束从圆弧面ABC出射，沿AC方向缓慢平移该砖，在如图所示位置时，出射光束恰好消失，该材料的折射率为(　　)
A．1.2B．1.4 C．1.6D．1.8
1．对全反射棱镜光学特性的两点说明(1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高。(2)反射时失真小，两种反射情况如图甲、乙所示。
2．光导纤维的结构与应用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之间，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，使反射光的能量最强，实现远距离传送。因此，光信号能携带着声音、图像以及各种数字信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信，其主要优点是容量大，衰减小，抗干扰性强等。
医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体的胃、肠等器官内部，如图所示。
角度1　全反射棱镜的应用【典例2】　如图所示为单反照相机取景器的示意图，ABCDE为五棱镜的一个截面，AB⊥BC。光垂直于AB射入，分别在CD和EA上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光垂直于BC射出。若两次反射都为全反射，则该五棱镜折射率的最小值是多少？(计算结果可用三角函数表示)
思路点拨：本题考查光的全反射规律的应用，正确画出光路图是解决本题的关键。
角度2　光导纤维的应用【典例3】　如图所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n。光从它的一个端面射入，从另一端面射出所需的最长时间为多少？(设光在真空中的光速为c)
解决光导纤维类问题要注意两点(1)全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。(2)传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值，在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，时间最长。
[跟进训练]2．(角度1)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为n＝1.5的全反射棱镜。下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满足题意的是(　　)
A　　　　B　　　　C　　 　　D
B　[四个选项中棱镜产生的光路效果如下图所示。由题图知，选项B满足题意。
3．(角度2)(2021·辽宁卷)一束复色光从空气射入光导纤维后分成a、b两束单色光，光路如图所示，比较内芯中的a、b两束光，a光的(　　)
A．频率小，发生全反射的临界角小B．频率大，发生全反射的临界角小C．频率小，发生全反射的临界角大D．频率大，发生全反射的临界角大
学习效果·随堂评估自测
1．(多选)下列说法正确的是(　　)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小D．光从光密介质射入光疏介质有可能不发生全反射
2.(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃，AB面和CD面平行，它们是玻璃和空气的界面，设为界面1和界面2。光线从界面1射入玻璃砖，再从界面2射出，回到空气中，如果改变光到达界面1时的入射角，则(　　)
A．只要入射角足够大，光线在界面1上可能发生全反射现象B．只要入射角足够大，光线在界面2上可能发生全反射现象C．不管入射角多大，光线在界面2上都不可能发生全反射现象D．光线穿过玻璃砖后传播方向不变，只发生侧移
CD　[在界面1，光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不能发生全反射现象；在界面2，光由玻璃砖进入空气，是由光密介质进入光疏介质，由于界面1和界面2平行，光由界面1进入玻璃后再到达界面2，在界面2上的入射角等于在界面1上的折射角，因此入射角总是小于临界角，也不会发生全反射现象；光线穿过玻璃砖后传播方向不变，只发生侧移。]
3.(2022·四川省大竹中学高二阶段练习)如图所示光导纤维的长度为L，某种频率的光在其中的折射率为n，若有各种入射方向的该频率的光照射到此光导纤维一端的横截面上，认为自另一端射出的光在此光导纤维传播的过程中都发生全反射，已知光在真空中的传播速度为c，自另一端射出的光在此光导纤维中的最长传播时间为(　　)
4．(新情境题，以观景为背景考查全反射)一湖面上有一伸向水面的混凝土观景台，其截面图如图所示，观景台下表面恰好和水面相平，A为观景台右侧面在湖底的投影，水深h＝4 m，在距观景台右侧面x＝4 m 处有一可沿竖直方向上下移动的单色点光源S，点光源S可从距水面高3 m处下移到接近水面，在移动过程中，观景台水下被照亮的最远距离为AC，最近距离为AB，若AB＝3 m，求：
(2)光能照亮的最远距离AC。(结果可以保留根式)
回归本节知识，自我完成以下问题：1．发生全反射的条件是什么？提示：光由光密介质射入光疏介质，入射角大于或等于临界角。2．密度大的介质一定是光密介质吗？提示：不一定。3．光的全反射有哪些常见应用？提示：全反射棱镜、光导纤维等。
阅读材料·拓展物理视野
光纤通信发展新趋势——全光网络在光纤光缆中实现超高速、超大容量和超长距离的传输是光纤通信技术所不懈追求的，而实现全光网络覆盖是光纤通信的最终目标。
所谓全光网络，是指网络传输与网络交换过程全部以光信号完成，只在进出网络时才进行光电转换。在传输过程中无需对电信号进行处理，因此可采用SDH、PDH和ATM等各种传输方式，有效地提高网络利用率。全光网络将是光纤通信技术发展的终极目标和理想阶段，未来的超高速通信网络将由全光网络覆盖。现有的光纤网络仅仅实现了网络节点之间的全光通信，而网络节点部分仍为电器件，电器件自身的性能成为了通信系统骨干网总容量提高的一大瓶颈。全光网络中全部环节的电节点都由光节点替换，节点之间的
通信也实现了全光化，信息的传输与交换始终以光信号形式完成，在对数据信息进行计算与处理的过程中不再以“比特”为基本单位，取而代之的是“波长”。因此，全光网络将是今后光纤通信技术研究中一个非常重要的课题，也是一个具有颠覆性的课题。目前，全光网络还处在发展初期、理论研究阶段，但已显现出良好的发展势头与明显的技术优势。从技术发展趋势来看，形成一个以光交换技术结合WDM技术为核心的光通信网络层，通过消除电光装换瓶颈从而建立全光网络已成为光纤通信发展的必然趋势，更是未来通信系统传输网络的核心。