浙江专用高中物理第十三章光第2课时全反射教师用书新人教版选修34.docx

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浙江专用高中物理第十三章光第2课时全反射教师用书新人教版选修34

第2课时　全反射

研究学考·把握考情]

知识内容

全反射

考试要求

加试b

教学要求

1.区分光疏介质和光密介质

2．了解光的全反射现象，知道全反射现象产生的条件

3．知道光导纤维和全反射棱镜，了解它们的应用

4．会计算全反射临界角

基础梳理]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．光疏介质和光密介质

（1）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。

（2）光疏介质与光密介质是相对的。

2．全反射

当光从光密介质射向光疏介质时，同时发生折射和反射，如果入射角逐渐增大，折射光离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。

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，这种现象叫做全反射。

3．临界角

（1）定义：

折射角为90°时的入射角叫做临界角。

（2）临界角C与折射率n的关系：

sinC＝

。

4．发生全反射的条件

当光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角等于或大于临界角，就会发生全反射现象。

要点精讲]

1．对光疏介质和光密介质的理解

（1）光疏介质和光密介质是相对而言的。

（2）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。

（3）光从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角。

（4）光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不指它的密度大小。

2．全反射

（1）临界角：

折射角为90°时的入射角称为全反射的临界角，用C表示，sinC＝

。

（2）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。

（3）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。

【例题】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）（　　）

解析　由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sinC＝

＝

，得C＝45°＜θ1＝60°，故在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故选项D正确。

答案　D

基础梳理]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜。

2．当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射（如图1）。

全反射棱镜比平面镜的反射率高，几乎可达100%。

图1

即学即练]

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2所示。

方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜。

下图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（　　）

图2

解析　四个选项产生光路效果如下图：

由上图可知B项正确。

答案　B

基础梳理]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．构造及传播原理：

光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套大，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，如图3所示。

图3

2．应用：

光纤通讯、医学上的内窥镜。

即学即练]

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（　　）

图4

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

解析　光导纤维很细，它的直径只有几微米到一百微米，它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。

答案　A

1．光从介质a射向介质b，如果要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是（　　）

A．a是光密介质，b是光疏介质

B．光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度

C．光的入射角必须大于或等于临界角

D．光的入射角必须小于临界角

答案　AC

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　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。

答案　C

3．光在某种介质中的传播速度是1.5×108m/s，光从该介质射向空气时（　　）

A．临界角是30°

B．大于或等于30°的所有角都是临界角

C．入射角大于或等于30°时都能发生全反射

D．临界角可能是60°

解析　由n＝

＝

＝2，sinC＝

知临界角C＝30°，所以A、C正确。

答案　AC

4．如图5所示，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（　　）

图5

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

解析　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反射，但不是全反射，因为全反射只有光从光密介质射入光疏介质时才可能发生，故A错误；光线由水射入空气，光的波速变大，频率不变，由波速公式v＝λf知波长变大，故B错误；远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，当入射角大于等于全反射临界角时能发生全反射，光线不能射出水面，因而看不见，故C正确；近处水面下景物的光线射到水面处，入射角越小，反射光越强而折射光越弱，射出水面而进入人眼睛中能量越少，故D错误。

答案　C

一、选择题（在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。

）

1．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大

D．同一束光，在光密介质中的传播速度较小

解析　因为水的折射率为1.33，酒精的折射率为1.36，所以水对酒精来说是光疏介质；由v＝

可知，光在光密介质中的传播速度较小。

答案　BD

2．当光从光密介质射向光疏介质时（　　）

A．反射光线的强度随入射角的增大而减小

B．折射光线的强度随入射角的增大而减小

C．当入射角等于临界角时，折射光线的强度等于零

D．当入射角等于零时，反射光线的强度等于零

解析　反射光的强度随入射角的增大而增大，折射光的强度随入射角的增大而减小，当入射角等于临界角时，从光密介质射向光疏介质中的光线恰好发生全反射，故折射光线的强度等于零。

答案　BC

3．以下哪些现象是由于光的全反射形成的（　　）

A．在岸上能看见水中的鱼

B．夜晚，湖面上映出了岸上的彩灯

C．夏天，海面上出现的海市蜃楼

D．水中的气泡看起来特别明亮

答案　CD

4．关于光纤的说法，正确的是（　　）

A．光纤是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大

B．光纤是非常细的特制玻璃丝，但导电性能特别好，所以它比普通电线衰减小

C．光纤是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，光纤是利用全反射原理来实现光的传导的

D．在实际应用中，光纤必须呈笔直状态，因为弯曲的光纤是不能传导光的

解析　光导纤维的作用是传导光，它是直径为几微米到一百微米之间的特制玻璃丝，且由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大。

载有声音、图象及各种数字信号的激光传播时，在内芯和外套的界面上发生全反射，光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点。

在实际应用中，光纤是可以弯曲的。

所以，正确选项是C。

答案　C

5．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。

其中可以发生的是（　　）

解析　光垂直等腰直角三角形的某直角边射入玻璃棱镜时，在斜边发生全反射，故A正确。

答案　A

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

解析　光从空气进入玻璃在分界面上会发生折射，且折射角小于入射角，故B、D错误；光从玻璃进入空气折射角应大于入射角，所以C错误；若满足入射角大于临界角的情况，则会发生全反射，故A正确。

答案　A

7．一束光从介质1进入介质2，如图1所示，下列对于1、2两种介质光学属性的判断中正确的是（　　）

图1

A．介质1是光疏介质

B．介质1的折射率大

C．光在介质1中传播速度大

D．光在介质2中传播速度大

解析　光线从介质1射入介质2，从光路图可以看出入射角为：

θ1＝90°－60°＝30°，折射角为：

θ2＝90°－15°＝75°，入射角小于折射角，说明介质1的折射率大，选项A错误，B正确；由n＝

可知光在介质2中的传播速度大，选项C错误，D正确。

答案　BD

8．如图2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（　　）

图2

A．2B．3C．4D．5

解析　sinC＝

＝

，

C＝45°；

n＝

，

θ＝30°。

光路图如图所示，所以共3条光线射出玻璃球。

答案　B

9．如图3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3

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

解析　在界面Ⅰ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，则选项C正确；在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D正确。

答案　CD

10．如图4所示，有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向E点，并偏折到F点，已知入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，E、F分别为边AB、BC的中点，则（　　）

图4

A．该棱镜的折射率为

B．光在F点发生全反射

C．光从空气进入棱镜，波长变小

D．从F点出射的光束与入射到E点的光束平行

解析　在E点作出法线可知入射角为60°，折射角为30°，折射率为

，A正确；由光路的可逆性可知，在BC边上的入射角小于临界角，不会发生全反射，B错误；由v＝

，v＝λf，可知波速变小，波长变小，C正确；由几何关系知，在F点入射角为30°，折射角为60°，出射光束不会与入射到E点的光束平行，故D错误。

答案　AC

二、非选择题

11．如图5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。

图5

（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。

解析　

（1）因为一细束单色光由MN端面中点垂直射入，

所以到达弧面EF界面时入射角为45°，又因为恰好发生全反射，

所以45°为临界角C，

由sinC＝

可知，

该玻璃棒的折射率n＝

＝

。

（2）如图所示若将入射光向N端平移，

第一次射到弧面EF上的入射角将增大，

即大于临界角45°，所以能发生全反射。

答案　

（1）

（2）能

12．一足够大的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为H，在水池的底部放一点光源S，其中一条光线以30°入射角射到液体与空气的界面上，它的反射光线与折射光线的夹角为105°，如图6所示。

求：

图6

（1）液体的折射率；

（2）液体表面亮斑的面积。

解析　

（1）由题图知入射角i＝30°，

折射角r＝45°，

n＝

＝

。

（2）若发生全反射，入射角C应满足sinC＝

，

C＝45°，

亮斑半径R＝HtanC＝H，

亮斑面积S＝πH2。

答案　

（1）

（2）πH2