选择性必修一第四章光第二节全反射.docx

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选择性必修一第四章光第二节全反射

2　全反射

一、全反射

[导学探究]　当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确吗？

为什么？

[知识深化]

1．光疏介质和光密介质

（1）光疏介质：

折射率较小（填“大”或“小”）的介质．

（2）光密介质：

折射率较大（填“大”或“小”）的介质．

（3）光疏介质与光密介质是相对（填“相对”或“绝对”）的．

2．全反射现象

（1）全反射：

光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射．若入射角增大到某一角度，折射光线完全消失，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，光从介质射入空气（真空）时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是sinC＝.

（3）全反射发生的条件

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．

例1　某种介质对空气的折射率是，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是（图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质）（　　）

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.

二、全反射棱镜

[导学探究]　

如图2所示，已知玻璃的折射率为1.5，甲图中当光线垂直BC面入射时，光线到达AC面的入射角是多少？

能否发生全反射？

乙图中当光线垂直AC面入射时，光线到达AB面的入射角是多少？

能否发生全反射？

[知识深化]　全反射棱镜改变光路的几种情况

入射方式

项目

方式一

方式二

方式三

光路图

入射面

AB

AC

AB

全反射面

AC

AB、BC

AC

光线方向

改变角度

90°

180°

0°（发生侧移）

二、全反射棱镜

1．形状：

截面为等腰直角三角形的棱镜．

2．全反射棱镜的特点

（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）反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小．

例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3所示．方框内有两个折射率n＝1.5的全反射玻璃棱镜．下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图．其中能产生图中效果的是（　　）

三、光导纤维

[导学探究]　如图4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．构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？

为什么？

三、光导纤维

1．原理：

利用了光的全反射．

2．构造：

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．光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等．

4．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．

[即学即用]

1．判断下列说法的正误．

（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）制作全反射棱镜的材料的折射率一定大于.（　　）

（4）光在光导纤维中的传播速度小于光在真空中的光速c.（　　）

2．一束光从某介质进入真空，方向如图1所示，则该介质的折射率为________；逐渐增大入射角，光线将________（填“能”或“不能”）发生全反射；若使光发生全反射，应使光从________射入________，且入射角大于等于________．

答案　　能　介质　真空　45°

例3　如图5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.（已知光在真空中的传播速度为c）

图5

注意挖掘题目中隐含条件，“恰好”“刚好”暗含的条件是入射角等于临界角.

四、全反射的应用

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）若光由介质进入空气（真空）时，则根据sinC＝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．

例4　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．

课堂检测

1.（对全反射的理解）（多选）如图6所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条同一颜色、强度相同的光线，均由空气沿半圆半径方向射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置．下列说法正确的是（　　）

A．假若三条光线中只有一条在O点发生了全反射，那一定是aO光线

B．假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射

C．假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射

D．假若光线aO恰能发生全反射，那么光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大

2．（全反射棱镜）自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来自后面的光照反射回去．某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜（折射率n>）组成，棱镜的横截面如图7所示．一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜，先后经过AC和CB边反射后，从AB边的O′点射出，则出射光线是（　　）

A．平行于AC边的光线①B．平行于入射光线的光线②

C．平行于CB边的光线③D．沿AB边的光线④

3．（光导纤维）如图8所示是两个城市间光缆中的一条光导纤维的一段，光缆总长为L，它的玻璃芯的折射率为n1，外层材料的折射率为n2.若光在空气中的传播速度近似为c，则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程，下列判断中正确的是（　　）

A．n1

B．n1

C．n1>n2，光通过光缆的时间等于

D．n1>n2，光通过光缆的时间大于

4．（全反射的应用）用某种透明材料制成的一块柱体形棱镜的水平截面图如图9所示，左侧ABOD为长方形，右侧DOF为以O为圆心的圆．光线从真空以入射角θ1＝60°射到棱镜AB面，经折射后，光线到达BF面上的O点并恰好不从BF面射出．

（1）画出光路图；

（2）求该棱镜的折射率n和光线在棱镜中传播的速度大小v（光在真空中的传播速度c＝3×108m/s）．

变式训练

考点一　对全反射的理解

1．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

2．（多选）酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到在一定的距离之外，地面显得格外的明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影．但当你靠近“水面”时，它也随你的靠近而后退，对此现象的正确解释是（　　）

A．同海市蜃楼的光学现象具有相同的原理，是由于光的全反射作用造成的

B．“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉

C．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率大，发生全反射

D．太阳辐射到地面，使地面温度升高，折射率小，发生全反射

3．如图1是在高山湖泊边拍摄的一张风景照片，湖水清澈见底，近处湖面水下的景物（石块、砂砾等）都看得很清楚，而远处则只看到对岸山峰和天空彩虹的倒影，水面下的景物则根本看不到．下列说法中正确的是（　　）

A．远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了全反射

B．光线由水射入空气，光的波速变大，波长变小

C．远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，可能发生了全反射，所以看不见

D．近处水面下景物的光线射到水面处，入射角较小，反射光强而折射光弱，因此有较多的能量射出水面而进入人眼睛中

4．（多选）如图2所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的分界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ.光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则（　　）

图2

A．只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象

B．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象

C．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象

D．不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象

5．一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖横截面的圆心，下图中能正确描述其光路的是（　　）

考点二　全反射棱镜

6．自行车尾灯采用了全反射棱镜的原理，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在自行车尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．尾灯由透明介质做成，其外形如图3所示．下列说法中正确的是（　　）

A．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射

B．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射

C．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射

D．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射

考点三　光导纤维

7．光导纤维的结构如图4所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播，以下关于光导纤维的说法正确的是（　　）

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．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折射

D．内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用

8．光导纤维技术在现代生产、生活与科技方面得以广泛应用．如图5所示是一个质量均匀分布的有机玻璃圆柱的横截面，B、C为圆上两点，一束单色光沿AB方向射入，然后从C点射出，已知∠ABO＝127°，∠BOC＝120°，真空中光速c＝3×108m/s，sin53°＝0.8，cos53°＝0.6.则（　　）

A．光在该有机玻璃中传播速度为1.875×108m/s

B．光在该有机玻璃中的折射率为1.8

C．光在该有机玻璃中发生全反射的临界角为53°

D．若将该材料做成长300km的光导纤维，此单色光在光导纤维中传播的最短时间为1×10－3s

考点四　全反射的应用

9．如图6所示，光液面传感器有一个像试管模样的玻璃管，中央插一块两面反光的玻璃板，入射光线在玻璃管内壁与反光板之间来回发生反射，进入玻璃管底部，然后在另一侧反射而出（与光纤原理相同）．当透明液体的折射率大于管壁玻璃的折射率时，就可以通过光液面传感器监测出射光的强弱来判定玻璃管是否被液体包住了，从而了解液面的高度．以下说法正确的是（　　）

A．玻璃管被液体包住之后，出射光强度增强

B．玻璃管被液体包住之后，出射光消失

C．玻璃管被液体包住之后，出射光强度减弱

D．玻璃管被液体包住之后，出射光强度不变

10．如图7所示，一个透明玻璃球的折射率为，一束足够强的细光束在过球心的平面内，以45°入射角由真空射入玻璃球后，在玻璃球与真空的交界面处发生多次反射和折射，从各个方向观察玻璃球，能看到从玻璃球内射出的光线的条数是（　　）

A．2B．3C．4D．5

二、非选择题

11．（全反射的应用）如图8所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧状，一细束单色光由MN端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF上发生全反射，然后垂直PQ端面射出．

（1）求该玻璃棒的折射率；

（2）若将入射光向N端平移，当第一次射到弧面EF上时________（填“能”“不能”或“无法确定能否”）发生全反射．