山东省专用2018_2019学年高中物理第十三章光第2节全反射讲义含解析新人教版选修3.doc

第2节全反射1.光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角；反之，折射角大于入射角。2临界角：折射角为90时的入射角。3发生全反射的条件：(1)光从光密介质射入光疏介质；(2)入射角大于或等于临界角。4光从介质射入空气(真空)时临界角与折射率的关系：sin C。5全反射棱镜和光导纤维都利用了光的全反射。一、光疏介质和光密介质光疏介质光密介质定义折射率较小的介质折射率较大的介质传播速度光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小折射特点光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角二、全反射1全反射及临界角(1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象。(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90时的入射角。用字母C表示。2全反射的条件要发生全反射，必须同时具备两个条件：(1)光从光密介质射入光疏介质。(2)入射角等于或大于临界角。3临界角与折射率的关系光由介质射入空气(或真空)时，sin C(公式)。三、全反射的应用1全反射棱镜(1)形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。(2)光学特性：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，光线垂直于另一直角边射出。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。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，由内芯和外层透明介质两层组成。内芯的折射率比外层的大，光传播时在内芯与外层的界面上发生全反射。(3)主要优点：容量大、能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等。1自主思考判一判(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。()(4)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。()(5)光从水中射入空气中时一定能发生全反射。()(6)光纤通信的主要优点是容量大。()2合作探究议一议(1)水是光密介质还是光疏介质？提示：光密介质和光疏介质是相对的，与折射率大的比是光疏介质，如与水晶相比；与折射率小的比是光密介质，如与空气相比。(2)为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？提示：水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮。对全反射的理解 1.光疏介质和光密介质的理解(1)对光路的影响：根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质(例如由空气射入水)时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质(例如由水射入空气)时，折射角大于入射角。(2)光疏介质和光密介质的比较光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大(3)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定谁是光疏介质或光密介质。2全反射现象(1)全反射的条件光由光密介质射向光疏介质。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。(4)临界角定义：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。表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰好等于90，n，即sin C。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。典例多选如图所示，一束入射光AO从某种介质以入射角射入空气，以O点为圆心，R1为半径画圆C1，与折射光线OB交于M点，过M点向两介质的交界面作垂线，与入射光线AO的延长线交于N点，以O点为圆心，ON为半径画另一个圆C2，测得该圆的半径为R2，下列判断正确的是()A该介质的折射率为B若光由介质射入空气发生全反射，则临界角的正弦值为sin CC若过圆C1与界面的交点D作界面的垂线交圆C2于P点，则OP与法线所夹的锐角等于全反射的临界角D若入射光的强度保持不变，逐渐增大入射角，则折射光的强度将逐渐增加审题指导解答本题时应从以下三点进行分析：(1)依题意画出光路图，明确几何关系。(2)熟练掌握折射定律和临界问题。(3)利用三角函数进行几何量的计算。解析由图可知，介质的折射率n，而sin ，sin ，得n，A正确；全反射的临界角sin C，sin C，B正确；过D作DP，sinOPD，故OPDC，因而C选项正确；当增大时，折射光强度应减弱，D错。答案ABC解答全反射类问题的技巧(1)光必须从光密介质射入光疏介质。(2)入射角大于或等于临界角。(3)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时比例与实际相符，这样更有利于问题的分析。1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从水射入水晶解析：选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。2在水底的潜水员看来，水面上方的所有景物只出现在顶角为97的倒立圆锥里，这是因为()A水面上远处的景物反射的阳光都因为全反射而不能进入水中B水面上远处的景物反射的阳光折射进入水中，其中折射角不可能大于48.5C水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为全反射的原因不可能进入水中D水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为折射的原因不可能进入潜水员的眼中解析：选B水的临界角为48.5，只有光从水中射向空气中时才有可能发生全反射。3一厚度为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。解析：如图，考虑从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线，假设它斜射到玻璃上表面的A点发生折射，根据折射定律有nsin sin 式中，n是玻璃的折射率，是入射角，是折射角。现假设A恰好在纸片边缘。由题意，在A点刚好发生全反射，故设AA线段在玻璃上表面的投影长为L，由几何关系有sin 由题意，纸片的半径应为RLr联立以上各式得n 。答案： 全反射棱镜光导纤维1全反射棱镜的作用及应用(1)作用：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，全反射棱镜是一种特殊的棱镜，在光学仪器中用来改变光的方向。(2)应用：对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像。2光导纤维光导纤维的作用能够传导光光导纤维的结构特制的细玻璃丝，由内芯和外套组成，内芯的折射率比外套大光导纤维的应用能够传送声音(实验)、图像及数字信号光导纤维的主要优点容量大、衰减小、抗干扰强1.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()A.B.C.D.解析：选A作出几何光路图，如图所示。由折射规律可得n，若光线在AC边上的D点发生全反射，则sin ，由几何关系又有r90，结合以上三式可得n2，即n，正确答案为A。2如图为一光导纤维(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 insin r设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为，为了使该光线可在此光导纤维中传播，应有式中，是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角，它满足nsin 1由几何关系得r90由式得sin i。(2)光在玻璃丝中传播速度的大小为v光速在玻璃丝轴线方向的分量为vxvsin 光线从玻璃丝端面AB传播到其另一端面所需时间为T光线在玻璃丝中传播，在刚好发生全反射时，光线从端面AB传播到其另一端面所需的时间最长，由式得Tmax。答案：(1)sin i(2)1光线由某种介质射向与空气的分界面，当入射角大于45时折射光线消失，由此可断定这种介质的折射率是()AnBnCn Dn2解析：选B入射角大于45时折射光线消失，即这种介质的临界角C45，所以n，故B正确。2一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是45D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解析：选B由题意知，入射角30，折射角60，由折射定律可得：n，A项错误，B项正确；发生全反射的临界角为C，sin C，sin 45，C45，C项错误；光线按如图所示的方向入射，当入射角大于等于临界角时，就会发生全反射现象，D项错误。3在完全透明的水下某深处，放一点光源，在水面上可见到一个圆形透光平面，如果透光圆面的半径正在匀速增大，如图所示，则光源正在()A匀加速上升 B匀加速下沉C匀速上升 D匀速下沉解析：选D因为发生全反射，所以圆形透光半径rdtan C，因为r是匀速变大，所以d也是匀速变大的，故光源是在匀速下沉，所以选项D正确。4.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n1.5的玻璃全反射棱镜。下图给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生如图效果的是()解析：选B四个选项产生光路效果如图所示。则可知B项正确。5.光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的。如图所示，一光导纤维内芯折射率为n1，外层折射率为n2，一束光信号与界面夹角由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是()An1n2，小于某一值 Bn1n2，大于某一值Cn1n2，大于某一值 Dn1n2，小于某一值解析：选A要使光信号在内芯与外层的界面上发生全反射，必须让内芯折射率n1大于外层折射率n2，同时入射角须大于某一值，故应小于某一值，故A正确。6多选一束光穿过介质1、2、3时，光路如图所示，则()A介质2的折射率最大B光线在介质2中的波长最长C光在介质3中的速度最大D入射光线到达介质2和介质3的界面时，一定也发生反射解析：选BD由光线经过介质时的入射角和折射角之间的大小关系可知n3n1n2，故选项A错误；由v可知在介质2中传播的速度最大，故选项C错误；光在不同介质内传播时的频率不变，根据vf可知传播速度越大，波长越长，故选项B正确；光由介质2进入介质3时，发生折射，也发生反射，故选项D正确。7.半径为R的透明圆柱体固定于地面上，透明体对红光的折射率为n2，如图所示。今让一束平行于地面的红光射向圆柱体左侧，经折射红光照射到右侧地面上。则圆柱体右侧地面上的黑暗部分长度为_。解析：光线从圆柱体射出的临界角满足sin C所以C30。地面上黑暗部分如图中阴影所示，其长度为lRR。答案：R8一半径为R的半圆柱形玻璃砖，横截面如图所示。已知玻璃的全反射临界角(<)。与玻璃砖的底平面成()角度、且与玻璃砖横截面平行的平行光射到玻璃砖的半圆柱面上。经柱面折射后，有部分光(包括与柱面相切的入射光)能直接从玻璃砖底面射出。若忽略经半圆柱内表面反射后射出的光，求底面透光部分的宽度。解析：在半圆柱形玻璃砖横截面内，考虑沿半径方向射到圆心O的光线1(如图)，它在圆心处的入射角为1，满足1恰好等于全反射临界角，发生全反射，在光线1左侧的光线(例如光线2)经过柱面折射后，射在玻璃砖底面上的入射角2满足2>因而在底面上发生全反射，不能直接折射出。在光线1右侧的光线(例如光线3)经柱面折射后，射在玻璃砖底面上的入射角3满足3<因而在底面上不能发生全反射，能从玻璃砖底面射出射到半圆柱面最右侧的光线4与柱面相切，入射角i为i由折射定律知，经圆柱面折射后的折射角OAB4，满足sin insin 4式子中，n是玻璃的折射率，由全反射角的定义知1nsin 联立式得4由几何关系可得AOB，故底面上透光部分的宽度OB。答案：