第3節(jié)光的全反射第4節(jié)光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用第4章2021內(nèi)容索引0102課前篇自主預(yù)習(xí)課堂篇探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì),認(rèn)識(shí)光的全反射現(xiàn)象。(物理觀(guān)念)2.知道產(chǎn)生全反射的條件,能解釋全反射現(xiàn)象,會(huì)計(jì)算臨界角。(科學(xué)思維)3.知道全反射棱鏡及其應(yīng)用。(科學(xué)思維)4.掌握光導(dǎo)纖維的工作原理及其應(yīng)用。(科學(xué)思維)思維導(dǎo)圖課前篇自主預(yù)習(xí)自主閱讀一、全反射及其產(chǎn)生條件1.全反射光從玻璃射入到空氣中時(shí),折射角大于入射角,當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí),折射光線(xiàn)完全消失,全部光都被反射回玻璃內(nèi),這種現(xiàn)象稱(chēng)為全反射現(xiàn)象。2.臨界角(1)定義:剛好發(fā)生全反射(即折射角等于90°)時(shí)的入射角,用字母C表示。(2)臨界角和折射率的關(guān)系①定量關(guān)系:當(dāng)光從折射率為n的某種介質(zhì)進(jìn)入真空或空氣時(shí)的臨界角應(yīng)②定性關(guān)系:介質(zhì)的折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小,越容易發(fā)生全反射。

3.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)兩種介質(zhì)比較,折射率較小的介質(zhì)叫作光疏介質(zhì),折射率較大的介質(zhì)叫作光密介質(zhì)。4.發(fā)生全反射的條件(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。(2)入射角大于或等于臨界角。二、全反射現(xiàn)象1.解釋全反射現(xiàn)象(1)水或玻璃中的氣泡看起來(lái)特別亮,是由于光射到氣泡上發(fā)生了全反射。(2)熏黑的鐵球放入水中,看起來(lái)會(huì)變得锃亮,是由于光射到球和水面之間的空氣層發(fā)生了全反射。(3)在沙漠里,接近地面的熱空氣的折射率比上層空氣的折射率小,從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線(xiàn)的入射角大于臨界角時(shí),發(fā)生全反射,人們就會(huì)看到遠(yuǎn)處物體的倒景即蜃景。(4)炎熱的夏天,在公路上向遠(yuǎn)處看去,有時(shí)路面顯得格外明亮光滑,就像被水淋過(guò)一樣,這也是一種蜃景。2.全反射棱鏡(1)形狀:截面為等腰直角三角形的棱鏡。(2)光學(xué)特性:①如圖甲所示,當(dāng)光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時(shí),光在截面的斜邊上發(fā)生全反射,光射出棱鏡時(shí),傳播方向改變了90°(填度數(shù))。②如圖乙所示,當(dāng)光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時(shí),在直角邊上各發(fā)生一次全反射,使光的傳播方向改變了180°(填度數(shù))。(3)應(yīng)用:制作潛望鏡,代替鍍銀的平面鏡等。

三、光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用1.構(gòu)造把石英玻璃拉成直徑幾微米到幾十微米的細(xì)絲,再包上折射率比它小的材料,就制成了光導(dǎo)纖維,簡(jiǎn)稱(chēng)光纖。2.原理如圖所示,光纖一般由折射率較高的玻璃內(nèi)心和折射率較低的外層透明介質(zhì)組成,光在光纖內(nèi)傳播時(shí),由光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)發(fā)生全反射,沿鋸齒形路徑由光纖的一端傳播到另一端。3.應(yīng)用(1)光纖通信光纖通信中,先將傳送的信息轉(zhuǎn)換為光信號(hào),通過(guò)光纖將光信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩?接收端再將光信號(hào)還原為原信息。光纖通信的容量遠(yuǎn)大于電纜,光纖網(wǎng)是信息社會(huì)的重要基石,“光纖到戶(hù)”是信息社會(huì)的重要標(biāo)志。(2)醫(yī)用內(nèi)窺鏡:利用光束由光纖的一端傳播到另一端,可以將被檢查器官的變化情況傳回目鏡,使醫(yī)生能夠直接觀(guān)察到。自我檢測(cè)1.正誤判斷(1)密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì),密度小的介質(zhì)就是光疏介質(zhì)。(

)解析

光密與光疏是從介質(zhì)的光學(xué)特征上來(lái)講的,與密度大小無(wú)關(guān)。答案

×(2)光從空氣射入水中時(shí)可能發(fā)生全反射現(xiàn)象。(

)答案

×(3)魚(yú)缸中上升的氣泡亮晶晶的,是由于光射到氣泡上發(fā)生了全反射。(

)答案

√(4)光纖一般由折射率小的玻璃內(nèi)芯和折射率大的外層透明介質(zhì)組成。(

)答案

×(5)光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)是容量大。(

)答案

√2.華裔科學(xué)家高錕被譽(yù)為“光纖通信之父”。光纖通信中信號(hào)傳播的主要載體是光導(dǎo)纖維,它的結(jié)構(gòu)如圖所示,其內(nèi)芯和外套材料不同,光在內(nèi)芯中傳播。下列關(guān)于光導(dǎo)纖維的說(shuō)法中正確的是(

)A.內(nèi)芯的折射率比外套的大,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射B.內(nèi)芯的折射率比外套的小,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射C.波長(zhǎng)越短的光在光纖中傳播的速度越大D.頻率越大的光在光纖中傳播的速度越大解析

光纖內(nèi)芯比外套折射率大,在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射,A對(duì)、B錯(cuò);頻率越大的光波長(zhǎng)越短,折射率越大,在光纖中傳播速度越小,C、D錯(cuò)。答案

A課堂篇探究學(xué)習(xí)探究一對(duì)全反射的理解情境探究夏季的早晨,從某一方向看植物葉子上的露珠會(huì)格外明亮,玻璃中的氣泡從側(cè)面看也是特別明亮,這是什么原理呢?要點(diǎn)提示

光照射露珠或經(jīng)玻璃照射氣泡時(shí),一部分光會(huì)發(fā)生全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就會(huì)感覺(jué)特別明亮。知識(shí)歸納1.對(duì)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解(1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較:比較項(xiàng)目光的傳播速度折射率光疏介質(zhì)大小光密介質(zhì)小大(2)相對(duì)性:光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對(duì)的。任何兩種透明介質(zhì)都可以通過(guò)比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來(lái)判斷誰(shuí)是光疏介質(zhì)或光密介質(zhì)。(3)光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來(lái)說(shuō)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,酒精是光密介質(zhì)。2.全反射現(xiàn)象(1)全反射的條件:①光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。②入射角大于或等于臨界角。(2)全反射遵循的規(guī)律:發(fā)生全反射時(shí),光全部返回原介質(zhì),入射光與反射光遵循光的反射定律,由于不存在折射光線(xiàn),光的折射定律不再適用。(3)從能量角度來(lái)理解全反射:當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí),隨著入射角增大,折射角也增大。同時(shí)折射光線(xiàn)強(qiáng)度減弱,即折射光線(xiàn)能量減小,反射光線(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng),能量增加,當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí),折射光線(xiàn)強(qiáng)度減弱到零,反射光的能量等于入射光的能量。3.不同色光的臨界角不同顏色的光由同一介質(zhì)射向空氣或真空時(shí),頻率越高的光的臨界角越小,越易發(fā)生全反射。典例剖析例題1如圖所示,某種透明物質(zhì)制成的直角三棱鏡ABC,∠A等于30°,一束光線(xiàn)在紙面內(nèi)垂直AB邊射入棱鏡。如圖所示,發(fā)現(xiàn)光線(xiàn)剛好不能從BC面射出,而是最后從AC面射出。求:(1)透明物質(zhì)的折射率n;(2)光線(xiàn)從AC面射出時(shí)的折射角α的正弦值。解析

(1)由題意可知,光線(xiàn)從AB邊垂直射入,恰好在BC面發(fā)生全反射,光線(xiàn)最后從AC面射出,光路圖如圖所示。規(guī)律方法

分析光的全反射問(wèn)題的關(guān)鍵根據(jù)臨界條件畫(huà)出恰好發(fā)生全反射的光路圖,再利用幾何知識(shí)分析邊角關(guān)變式訓(xùn)練1一束光以45°的入射角從AB面射入如圖所示的透明三棱鏡中,棱鏡折射率n=。試求出進(jìn)入AB面的折射角,并在圖中畫(huà)出該光束在棱鏡中的光路。答案

30°

光路圖見(jiàn)解析

探究二全反射的應(yīng)用情境探究如圖所示,自行車(chē)后面有尾燈,它雖然本身不發(fā)光,但在夜間行駛時(shí),從后面開(kāi)來(lái)的汽車(chē)發(fā)出的強(qiáng)光照在尾燈上,會(huì)有較強(qiáng)的光被反射回去,使汽車(chē)司機(jī)注意到前面有自行車(chē)。自行車(chē)的尾燈利用了什么原理?要點(diǎn)提示

利用了全反射的原理。

知識(shí)歸納1.光導(dǎo)纖維的構(gòu)造及傳播原理光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲,直徑只有1~100μm。如圖所示,它是由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率,光由一端進(jìn)入,在兩層的界面上經(jīng)過(guò)多次全反射,從另一端射出。光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳輸光,光信號(hào)又可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào),進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像以及各種數(shù)字信號(hào)。如果把許多(上萬(wàn)根)光導(dǎo)纖維合成一束,并使兩端的纖維按嚴(yán)格相同的次序排列,就可以傳輸圖像。2.全反射棱鏡全反射棱鏡是利用全反射改變光路以便于觀(guān)察。在圖甲中的等腰直角三角形ABC表示一個(gè)全反射棱鏡的橫截面,它的兩直角邊AB和BC表示棱鏡上兩個(gè)互相垂直的側(cè)面。如果光線(xiàn)垂直地射到AB面上,光在棱鏡內(nèi)會(huì)沿原來(lái)的方向射到AC面上。由于入射角(45°)大于光從玻璃射入空氣的臨界角(42°),光會(huì)在AC面上發(fā)生全反射,沿著垂直于BC的方向從棱鏡射出(圖甲)。如果光垂直地射到AC面上(圖乙),沿原方向射入棱鏡后,在AB、BC兩面上都會(huì)發(fā)生全反射,最后沿著與入射時(shí)相反的方向從AC面上射出。在光學(xué)儀器里,常用全反射棱鏡來(lái)代替平面鏡,改變光的傳播方向。圖丙是全反射棱鏡應(yīng)用在潛望鏡里的光路圖。典例剖析例題2如圖所示,AB為一直光導(dǎo)纖維,AB之間距離為s,使一光脈沖信號(hào)從光導(dǎo)纖維中間入射,射入后在光導(dǎo)纖維內(nèi)芯與外套的界面上恰好發(fā)生全反射,由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時(shí)間為t,求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率n。技巧點(diǎn)撥光導(dǎo)纖維問(wèn)題的求解思路根據(jù)題意“由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)”畫(huà)出入射、折射、全反射的光路圖,結(jié)合幾何知識(shí)和臨界角求解。變式訓(xùn)練2空氣中兩條光線(xiàn)a和b從方框左側(cè)入射,分別從方框下方和上方射出,其框外光線(xiàn)如圖甲所示。方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n=1.5的玻璃全反射棱鏡。圖乙給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖,其中能產(chǎn)生圖甲效果的是(

)甲

乙解析

四個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生的光路效果如圖所示。

當(dāng)堂檢測(cè)1.已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63,如果光按下面幾種方式傳播,可能發(fā)生全反射的是(

)A.從水晶射入玻璃 B.從水射入二硫化碳C.從玻璃射入水中 D.從水射入水晶解析

折射率相對(duì)較小的介質(zhì)是光疏介質(zhì),折射率相對(duì)較大的介質(zhì)是光密介質(zhì),發(fā)生全反射的條件之一是光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由此可知選項(xiàng)C正確。答案

C2.關(guān)于光纖的下列說(shuō)法正確的是(

)A.光纖是由高級(jí)金屬制成的,所以它比普通電線(xiàn)容量大B.光纖是非常細(xì)的特制玻璃絲,但導(dǎo)電性能特別好,所以它比普通電線(xiàn)衰減小C.光纖是非常細(xì)的特制玻璃絲,由內(nèi)芯和外套兩層組成,光纖是利用全反射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)的D.在實(shí)際應(yīng)用中,光纖必須呈筆直狀態(tài),因?yàn)閺澢墓饫w是不能傳導(dǎo)光的解析

光導(dǎo)纖維的作用是傳導(dǎo)光,它是直徑為幾微米到一百微米之間的特制玻璃絲,且由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套的大。載有聲音、圖像及各種數(shù)字信號(hào)的激光傳播時(shí),在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射,光纖具有容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,光纖是可以彎曲的,選項(xiàng)C正確。答案

C3.某種介質(zhì)相對(duì)空氣的折射率是,一束光從該介質(zhì)射向空氣,入射角是60°,則下列光路圖正確的是(圖中Ⅰ為空氣,Ⅱ?yàn)榻橘|(zhì))(

)解析

由題意知,光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由sin

C=,得C=45°<60°,故在兩介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生全反射,只有反射光線(xiàn),