2017_2018学年高中物理第4章光的折射与全反射第23节光的全反射光导纤维及其应用课件鲁科版选修3_4
高中物理第4章光的折射与全反射第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用鲁科34鲁科高二34物理
12/10/2021
第十八页，共三十九页。
常见全反射现象及其解释 1.应用全反射解释自然现象 （1）透明体中的气泡看起来特别亮 光照射到透明体上时，光线绝大多数穿过透明体.若透明体中有 气泡，进入透明体中的部分光线射到空气泡上时，由于透明体 的折射率大于气泡的折射率，若入射角大于或等于临界角，这 部分光会发生全反射，然后射入人眼，由于气泡处反射回来的 光比没有气泡处强得多，所以气泡看起来特别亮.
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（2）海市蜃楼 ①气候条件：当大气比较平静且海面与上层空气 温差较大时，空气的密度随温度的升高而减小， 对光的折射率也随之减小.因海面上的空气温度 比空中低，空气的下层比上层折射率大.我们可以 粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层，如图所示. ②光路分析：远处的景物反射的光线射向空中时，不断被折射， 射向折射率较小的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角 大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气 层通过空气的折射逐渐返回折射率较小的下一层.
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2.对全反射现象的分析 （1）全反射现象 光由光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角.当入射角增 大，反射光增强，折射光减弱，继续增大入射角，当折射角达 到 90°时，折射光全部消失，入射光全部被反射回原介质，当 入射角再增大时，入射光仍被界面全部反射回原介质，这种现 象叫全反射. （2）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.同时折射光强度减弱， 即折射光能量减小，反射光强度增强，能量增加，当入射角达 到临界角时，折射光强度减弱到零，入射光的能量全部集中到 反射光.
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高中物理光的全反射光导纤维及其应用精品课件鲁科版选修
光导纤维实验
实验目的
探究光导纤维中光的传播方式。
实验材料
光导纤维、激光笔、光屏。
光导纤维实验
实验步骤
1. 将光导纤维一端置于光屏前，用激光笔向另一端照射，观察光在光导 纤维内部的传播路径。
2. 观察光在光导纤维内部的折射和反射现象，并记录光斑在光屏上的位 置。
光导纤维实验
3. 调整激光笔的角度，观察光斑的变化。
传递给介质。
光导纤维
由折射率较高的中心介质和折射 率较低的外部介质组成，光在纤 维中传播时会发生全反射，从而
实现光的传递。
关系
光的全反射是光导纤维实现光信 号传输的物理基础，通过控制入 射角和介质折射率，实现高效、
远距离的光信号传输。
光导纤维的应用前景
信息传输
光导纤维在通信领域具有广泛 的应用，可以实现高速、大容 量的数据传输，是现代信息社
会的基石。
医疗领域
光导纤维可以用于内窥镜、激 光治疗等领域，具有创伤小、 恢复快等优点。
军事领域
光导纤维在军事通讯、制导武 器等方面有重要作用，具有抗 干扰、难以被探测等优点。
科研领域
光导纤维可用于光谱分析、激 光雷达等领域，具有高精度、
高灵敏度的优点。
实验探究的意义与价值
培养实践能力
通过实验探究，学生可以亲手操作、 观察实验现象，培养动手能力和观察 力。
几百微米。
内芯中传输光信号，而包层则起 到保护和引导光信号的作用。
光导纤维的材料
光导纤维的主要材料是玻璃或 塑料，这些材料在光的传输过 程中损耗较低。
玻璃光纤由高纯度石英玻璃制 成，具有优良的透光性能和机 械性能。
塑料光纤则由聚合物材料制成 ，具有成本低、易加工和柔韧 性好的优点。
2017_2018学年高中物理第4章光的折射与全反射章末小结与测评教学案鲁科版选修3_4
①c光的频率最大 ②a光的传播速度最小
③b光的折射率最大 ④a光的波长比b光的短
方式：在一盛水的烧杯底部放一粒绿豆，在水面上方吊一根针，如图4 6所示。调剂针的位置，直到针尖在水中的像与看到的绿豆重合，测出针尖距水面距离即为杯中水的视深h′，再测出水的实际深度h，那么水的折射率n＝h/h′。
图4 6
2．已知游泳池的深度为H＝ h，有人在游泳池边“竖直”向下观看池水的深度，池水的视深为h，那么水的折射率为多少？
1．(山东高考)如图4 1所示，ABCD是一直角梯形棱镜的横截面，位于截面所在平面内的一束光线由O点垂直AD边射入。已知棱镜的折射率n＝ ，AB＝BC＝8 cm，OA＝2 cm，∠OAB＝60°。
图4 1
(1)求光线第一次射出棱镜时，出射光线的方向。
(2)第一次的出射点距C________cm。
解析：(1)设发生全反射的临界角为C，由折射定律得
1．测玻璃的折射率
经常使用插针法：运用光在玻璃两个界面处的折射。
如图4 2所示为两面平行的玻璃砖对光路的侧移。用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O′B，确信出O′点，画出折射光线OO′，量出入射角i和折射角r，依照n＝ 计算出玻璃的折射率。
图4－2
2．测水的折射率
常见的方式有成像法、插针法、观观点、视深法等。
图4 4
(3)观观点：
原理：光的折射定律。
方式：取一圆筒，放在水平桌面上，如图4 5所示。从点A观看，调整视线恰好看到筒底边缘点B，慢慢向筒中注入清水至满，仍从点A观看，能看到筒底的点C，记录点C位置，量出简高h，筒的内径d及C到筒另一边缘D的距离l，那么水的折射率n＝ 。
高中物理第4章光的折射与全反射第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用课件鲁科版选修3-4
3．光疏介质和光密介质 两种介质比较，折射率 较小 的介质叫做光疏介质，折射率 较大的介质 叫做光密介质． 4．全反射的条件 (1)光从光密介质射入 光疏 介质． (2)入射角 大于等于临界角．
[再判断] 1．光从空气射入水中时可能发生全反射现象．( ×) 2．光密介质，是指介质的折射率大，密度不一定大．( √ ) 3．只要是光从光密介质射向光疏介质，就一定发生全反射．( × )
知
识
点
一
第2节 光的全反射
学 业
分
第3节 光导纤维及其应用
层 测Leabharlann 评知 识 点 二全反射及其产生条件
[先填空] 1．全反射 光从玻璃射入到空气中时，折射角 大于 入射角，当入射角增大到一定程 度时， 折射光线完全消失，全部光线都被反射回玻璃内，这种现象称为全反射 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．临界角和 折射率的关系是 sin C＝1n .
光导纤维问题的解题关键
第一步 抓关键点
关键点
获取信息
光导纤维 工作原理：全反射
光束不会侧漏 光束在侧壁发生全反射
第二步 找突破口
“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全
反射的光路图，根据全反射的知识求解问题．
[核心点击] 1．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．
2．对光疏介质和光密介质的理解 (1)光疏介质和光密介质的比较：
对全反射现象的解释和光导 纤维
高中物理第4章第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用精品课件鲁科版选修34
折射与全反射的综合应用
例2
图4－2－9
一束与MN平面成45°的平行光束射到玻璃的半圆 柱面上，经玻璃折射后，有部分光能从MN平面上 射出，求能从MN射出的光束的宽度为多少？
【自主解答】 如图4－2－10所示，进入玻璃中 的光线①垂直于半球面，沿半径方向直达球心位 置O，且入射角等于临界角，恰好在O点发生全反 射．
图4－2－11
光导纤维的工作原理分析
例3 在光导纤维的端面上入射光满足什么条件， 才能使光在光导纤维中不断发生全反射，从一端 传到另一端？(设光纤外层材料的折射率为1)
【精讲精析】 设当入射角为i时，进入端面的 折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图4－ 2－12所示，则有：
图4－2－12
【答案】 见精讲精析
高中物理第4章第2节光 的全反射第3节光导纤维 及其应用精品课件鲁科
版选修34
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2023年5月3日星期三
课标定位
课前自主学案
第
3
核心要点突破
节
课堂互动讲练
知能优化训练
课标定位 学习目标：1.理解光的全反射现象，会解释 与全反射有关的一些现象． 2．知道全反射的条件，能应用全反射条件解 决有关问题． 3．初步了解光导纤维的工作原理和光纤在生 产、生活中的应用． 4．认识光纤技术对经济社会生活的重大影响 ，体会科学技术对社会进步的作用． 重点难点：1.判断是否发生全反射，并进行 有关计算． 2．对全反射现象的解释．
思考感悟
能否用折射率为1.25的透明材料制成截面为等腰 直角三角形的全反射棱镜？
三、光导纤维及应用
1．光导纤维是由折射率__大_的玻璃内芯和折射 率_小__的外层透明介质组成的．
2017_2018高中物理第四章光的折射第3讲光的全反射学案教科版选修3_4
第3讲 光的全反射[目标定位] 1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.2.理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.3.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用．一、全反射现象 1．光密介质和光疏介质(1)对于两种介质来说，光在其中传播的速度较小的介质，即折射率较大的介质叫光密介质；光在其中传播的速度较大的介质，即折射率较小的介质叫光疏介质．(2)光疏介质和光密介质是相对的．2．全反射：光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象． 二、全反射条件 1．全反射的条件(1)光需从光密介质射至光疏介质的界面上． (2)入射角必须等于或大于临界角． 2．临界角(1)定义：光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的入射角，称作这种介质的临界角．(2)临界角C 与折射率n 的关系：sin C ＝1n.想一想 当光从水中射入玻璃的交界面时，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？答案 不正确．要发生全反射必须光从光密介质射入光疏介质．而水相对玻璃是光疏介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射．三、全反射的应用——光导纤维1．光纤的工作原理：由于有机玻璃的折射率大于空气的折射率，当光从有机玻璃棒的一端射入时，可以沿着有机玻璃棒的表面发生多次全反射，从另一端射出．2．光导纤维的构造：由两种折射率不同的玻璃制成，分内、外两层，内层玻璃的折射率比外层玻璃的折射率大．当光从一端进入光纤时，将会在两层玻璃的界面上发生全反射．3．光纤通讯的优点是容量大，衰减小，抗干扰能力强、传播速率高.一、对全反射的理解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，并没有绝对的意义． (2)光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中传播速度小．(3)光若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，并不是它的密度大小． 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，sin C ＝1n.(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针对训练 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，如果光按下面几种方式传播，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 根据发生全反射的条件，必须满足从光密介质射向光疏介质，故选项C 正确． 答案 C 二、光导纤维1．原理：内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射． 2．优点：容量大、衰减小、抗干扰能力强、传播速率高等． 3．应用：光纤通信；医学上的内窥镜．例2 光导纤维的结构如图1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1A ．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射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 光导纤维的内芯折射率大于外套的折射率，光在由内芯射向外套时，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，A 对．答案 A三、全反射的定量计算应用全反射解决实际问题的基本方法：(1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质．(2)若光由光密介质进入光疏介质时，根据sin C ＝1n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(如三角函数、反射定律等)进行判断推理、运算及变换．例3 如图2所示为一圆柱中空玻璃管，管内径为R 1，外径为R 2，R 2＝2R 1.一束光线在圆柱横截面内射向玻璃管，为保证在内壁处光不会进入中空部分，问入射角i 应满足什么条件？图2解析 光路图如图，设第一次折射的折射角为r ，全反射临界角为C ，折射率为n ，由折射定律有n ＝sin i sin r ，sin C ＝1n ；在图的三角形中，由数学知识可得：sin 180°－C R 2＝sin rR 1.综上解得：i ＝30°，所以为保证在内壁处光不会进入中空部分，入射角i 应满足i ≥30°.答案 i ≥30°对全反射的理解1．(多选)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 ．介质的临界角是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 ＝c v ＝3×1081.5×108＝2，sin C ＝1n知临界角C ＝30°，所以A 、C 正确．答案 AC全反射的应用及定量计算2.空气中两条光线a 和b 从虚线方框左侧入射，分别从虚线方框下方和上方射出，其框外光线如图3所示．虚线方框内有两个折射率n ＝1.5的玻璃全反射棱镜，下图给出了两棱镜四种放置方式的示意图．其中能产生图3 效果的是( )图3解析 四个选项产生光路效果如图：由图可知B 项正确． 答案 B3．如图4所示，在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形．有一半径为r 的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合．已知玻璃的折射率为1.5，则光束在桌面上形成的光斑半径为( )图4A ．rB ．1.5rC ．2rD ．2.5r解析 画出一条光线传播的光路图，如图所示．根据几何关系可知，故选项C 正确．答案 C4．一厚度为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 如图所示，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 ′点折射，根据折射定律有n ＝sin r sin i式中，n 是玻璃的折射率，i 是入射角，r 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r ＝π2设AA ′线段在玻璃上表面的投影长为L ，由几何关系有sin i ＝L L 2＋h 2由题意，纸片的半径应为R ＝L ＋r 联立以上各式得n ＝ 1＋⎝⎛⎭⎪⎫h R －r 2答案1＋⎝⎛⎭⎪⎫h R －r 2题组一 光疏介质和光密介质 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 ＝c n可知，光在光密介质中的速度较小．答案 BD2．(多选)一束光从介质1进入介质2，如图1所示，下列对于1、2两种介质的光学属性判断正确的是( )图1A ．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：i ＝90°－60°＝30°，折射角为：r ＝90°－15°＝75°，入射角小于折射角，说明介质1是光密介质，折射率大，选项B 正确，A 错误；由n ＝c v可知光在介质2中的传播速度大，选项C 错误，D 正确．答案BD3．(多选)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能量随入射角增大而增大，折射光的能量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题组二全反射现象及应用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、图像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、抗干扰能力强、传播速率高等特点．在实际应用中，光纤是可以弯曲的．所以，正确选项是C．答案 C5．(多选)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．用光导纤维传输光信号答案CD6．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．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 A7．光从介质1通过两种介质的交界面进入介质2的光路如图2所示．下列论述：①光在介质1中的传播速度较大；②光在介质2中的传播速度较大；③光从介质1射向两种介质的交界面时，可能发生全反射现象；④光从介质2射向两种介质的交界面时，可能发生全反射现象．其中正确的是( )图2A ．只有①③正确B ．只有①④正确C ．只有②③正确D ．只有②④正确解析 由图可知，介质1的折射率小于介质2的折射率．由n ＝cv可知，折射率越大，光在其中的传播速度越小，①正确，②错误；由全反射的条件可知，③错误，④正确．答案 B8．如图所示，将一个半圆形玻璃砖置于空气中，当一束单色光入射到玻璃砖的圆心O 时，下列情况不可能．．．发生的是( )解析 当光由空气射向玻璃的界面时，折射角小于入射角，选项A 错误，B 正确；当光由玻璃射向空气的界面时，折射角大于入射角；若入射角大于等于临界角，则发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，选项C 、D 都有可能．答案 A9．一束单色光从真空斜射向某种介质的表面，光路如图3所示．下列说法中正确的是( )图3A ．此介质的折射率等于1.5B ．此介质的折射率等于 2C ．入射角小于45°时可能发生全反射现象D ．入射角小于30°时可能发生全反射现象解析 由折射定律n ＝sin i sin r ，得介质的折射率n ＝sin 45°sin 30°＝2，选项A 错误，B 正确；因为光从空气射向介质，无论入射角满足什么条件都不能发生全反射现象，选项C 、D 错误．答案 B10.(多选)如图4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4A ．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，A 错误；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 也正确，B 错误．答案 CD 题组三 综合应用11.(多选)如图5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5A ．该棱镜的折射率为 3B ．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3，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；由公式λ介＝λ空气n，可知C 正确；三棱镜两次折射使得光线都向底边偏折，不会与入射到E 点的光束平行，故D 错误．答案 AC12．如图6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6(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sin C ＝1n可知，该玻璃棒的折射率n ＝1sin C ＝ 2.(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 (2)能13．图7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 ．光线垂直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，最后光线垂直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)图7解析 根据光路图可知4α＝90°则入射角α＝22.5°，即临界角C ≤α 由sin C ＝1n ，得折射率最小值n ＝1sin 22.5°答案1sin 22.5°14.一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯，如图8所示为过轴线的截面图，调整入射角α，光线恰好在水和空气的界面上发生全反射，已知水的折射率为43，求sinα的值．图8解析 当光线在水面发生全反射时有sin C ＝1n，当光线从左侧射入玻璃杯时，由折射定律有n ＝sin αsin ⎝ ⎛⎭⎪⎫π2－C ，联立以上两式并代入数据可得sin α＝73.答案7315．如图9所示是北京奥运会期间安置在游泳池底部的照相机拍摄的一张照片，相机的镜头竖直向上．照片中，水立方运动馆的景象呈现在半径r ＝11 cm 的圆形范围内，水面上的运动员手到脚的长度l ＝10 cm.若已知水的折射率为n ＝43，请根据运动员的实际身高估算该游泳池的水深h .(结果保留两位有效数字)图9解析 设照片圆形区域的实际半径为R ，运动员手到脚的实际长度为L ，由全反射公式得sin α＝1n，几何关系sin α＝R R 2＋h2，R r ＝L l得h ＝n 2－1·L lr ，取L ＝2.2 m ， 解得h ＝2.1 m. 答案 2.1 m16.如图10所示，一玻璃球体的半径为R ，O 为球心，AB 为直径．来自B 点的光线BM 在M 点射出，出射光线平行于AB ，另一光线BN 恰好在N 点发生全反射．已知∠ABM ＝30°，求：图10(1)玻璃的折射率； (2)球心O 到BN 的距离．解析 (1)设光线BM 在M 点的入射角为i ，折射角为r ，由几何知识可知，i ＝30°，r ＝60°，根据折射定律得n ＝sin rsin i①代入数据得n ＝3②(2)光线BN 恰好在N 点发生全反射，则∠BNO 为临界角C sin C ＝1n③设球心到BN 的距离为d ，由几何知识可知d ＝R sin C ④ 联立②③④式得d ＝33R 答案 (1) 3 (2)33R。
高中物理 第4章 光的折射与全反射 第2节 光的全反射 第3节光导纤维及其应用自我小测 鲁科版选修3
高中物理第4章光的折射与全反射第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用自我小测鲁科版选修3-4编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（高中物理第4章光的折射与全反射第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用自我小测鲁科版选修3-4）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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光导纤维及其应用1．关于全反射,下列说法中正确的是（）A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱,因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B．光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C．光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮,就是因为光从水或玻璃射向气泡时,在界面发生全反射2．如图所示是两个城市间的光缆中的一条光导纤维，光缆长为l,它的玻璃芯的折射率为n，外层材料的折射率为n2，光在真空中的传播速度为c。
光由它的一端射入经多次反射后从1另一端射出，则关于n1和n2的大小关系是（）A．n1＞n2B．n1＜n2C．n1＝n2D．只要n1和n2不相等就可以3．一束光从空气射向折射率为n＝错误!的某种玻璃的表面，如图所示，i代表入射角,则（）A．当i＞45°时,会发生全反射现象B．无论入射角i是多大,折射角r都不会超过45°C．欲使折射角r＝30°，应以i＝45°的角入射D．当入射角i＝arctan错误!时,反射光线跟折射光线恰好互相垂直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①所示。
高中物理第4章光的折射与全反射第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用知识导航素材鲁科版选修3_4
第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用思维激活动手做下面的“水流导光”小实验:将饮料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出.用激光笔水平射向饮料瓶水孔出水处（图4-2-1），观察光的传播路径.你发现了什么奇特的现象？图4-2-1提示:观察到整个水流都亮了，激光束并没有沿直线穿出弯曲的水流射向空气，这是由于激光在水柱与空气界面上多次发生全反射的结果.光导纤维也正是根据这一原理制作的.学完了本节的内容后，你就能领悟其中的奥妙了.自主整理一、全反射及其产生条件1.当光由____________介质入射到____________介质中时，折射角大于入射角，当角____________增大到一定程度时，____________光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质内，这种现象称为全反射.2.刚好发生全反射，即折射角变为____________时的____________角，叫全反射的临界角.3.发生全反射的条件是：（1）光由_________射入_________；（2）入射角_________临界角.二、对全反射现象的解释1.自然界中常见的全反射现象有：（1）海水的浪花呈现____________；（2）水中的气泡____________；（3）炎热夏天的柏油路面显得格外____________，等等.2.全反射棱镜的截面是____________三角形，当光垂直于直角边射向棱镜时，光的传播方向改变了____________角，当光垂直于斜边射向棱镜时，光的传播方向改变了____________角.三、光导纤维及其应用1.光导纤维是由折射率____________的玻璃内芯和折射率____________的外层透明介质组成的.2.光纤通信是光导纤维的一个重要应用，光纤通信先将声音信号转换为____________，利用光纤把输出____________；到接收端再将____________还原为____________.高手笔记1.对光的全反射的理解.（1）光的全反射是光从光密介质进入光疏介质时，折射光线消失，只剩下反射光线的现象.(2)全反射是光的折射的特殊现象，光的反射定律适用于全反射.(3)发生全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角.（4）极限方法的正确运用是解决全反射问题的关键，全反射棱镜与光导纤维的分析需结合实际问题，画出光路图，借助几何关系分析解释.2.应用全反射解决实际问题的基本方法（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）若光由光密介质进入光疏介质，则根据sinC=n1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.名师解惑1．如何理解光疏介质和光密介质？剖析:（1）光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义.例如：水晶（n=1.55）对玻璃（n=1.5）是光密介质，而对金刚石来说（n=2.427），就是光疏介质.同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的.（2）光若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.（3）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.（4）光疏介质和光密介质的比较2．光导纤维的物理原理是什么？剖析：全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）.光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质.光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射.这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够从另一个端面射出.如图4-2-2所示，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像.如果把许多（上万根）光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传输图像.图4-2-2讲练互动【例题1】如图4-2-3所示，ABCD 是两面平行的透明玻璃砖，AB 面和CD 面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，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4-2-3A.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进入玻璃后再达到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，因此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 也正确.综上可知，选项C 、D 正确.答案：CD黑色陷阱有的同学认为在界面Ⅱ，光由光密介质进入光疏介质，只要入射角足够大，就可能发生全反射现象.这是错误的，错误的原因在于孤立地讨论光在界面Ⅱ能否发生全反射现象，而没有认识到光是由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，到达界面Ⅱ时光的入射角等于在界面Ⅰ的折射角，它的大小是受到折射定律限制的，因此在界面Ⅱ上的入射角总是小于临界角.[=] 变式训练1．关于全反射，下列说法中正确的是（ ）A.发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B.光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C.光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象D.水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生全反射 解析:全反射发生的条件是当光从光密介质射向光疏介质时，且入射角大于或等于临界角时发生的现象，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质.答案:CD【例题2】在厚度为d 、折射率为n 的大玻璃板下表面，有一个半径为r 的圆形发光面.为了从玻璃板的上方看不见这个圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一块圆形纸片，问所贴纸片的最小半径应为多大？解析：根据题意，光路图如图4-2-4所示，图中S 点为圆形发光面边缘上的一点.由该点发出的光线能射出玻璃板的范围由临界光线SA 确定，当入射角大于临界角C 时，光线就不能射出玻璃板了.图4-2-4图中Δr=dtanC=d C C cos sin ,而sinC=n 1,则cosC=nn 12-, 所以Δr=12-n d.故应贴圆纸片的最小半径R=r+Δr=r+12-n d .答案：R=r+12-n d绿色通道有关全反射现象的问题，关键是理解发生全反射的条件，注意找出临界光线，并正确作出光路图，根据临界角公式和几何知识进行判断和计算.变式训练2.如图4-2-5所示，在清澈平静的水底，抬头向上观察，会看到一个十分有趣的现象:图4-2-5（1）水面外的景物（蓝天、白云、树木、房屋），都呈现在顶角θ=97°的倒立圆锥底面的“洞”内；（2）“洞”外是水底的景象；（3）“洞”边呈现彩色，且七色的顺序为内紫外红.试分析上述水下观天的奇异现象.解析:水面外的景物射向水面的光线，凡入射角0≤i<90°时，都能折射入水中被人观察到（如图所示）.根据折射定律，在i=90°的临界条件下n=ri sin sin ，sinr=n i sin =341=43,r=48.5°.这样倒圆锥的顶角θ=2r=97°水底发出的光经过水面反射也可以进入观察者的眼中，但是由于“洞”内有很强的折射光，所以只有在“洞”外才能看到水底景物经水面的反射光，也就是在“洞”外看到水底景象.如图所示.光线从空气中折射入水中，要产生色散现象：红光的折射率最小，偏向角最小；紫光的折射率最大，偏向角最大.因为眼睛感觉光线是沿直线传播的，所以从水中看到的彩色“洞”边是内紫外红.答案:见解析【例题3】如图4-2-6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，又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 ）图4-2-6解析：由题中的已知条件可知，要使光线从光导纤维的一端射入，然后从它的另一端全部射出，必须使光线在光导纤维中发生全反射现象.要使光线在光导纤维中经历的时间最长，就必须使光线的路径最长，即光对光导纤维的入射角最小.光导纤维的临界角为 C=arcsin n1. 光在光导纤维中传播的路程为 d=CL sin =nL.光在光导纤维中传播的速度为v=nc . 所需最长时间为t max =cL n nc nL vd 2==. 答案：cL n 2 绿色通道光导纤维是全反射现象的应用，其构造由内芯和外套组成，内芯的折射率大于外套.与此题相关的一类求极值的问题，极值存在的条件均与全反射临界角有关.变式训练3.(2005广东)光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务.目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络.下列说法正确的是（ ）A.光纤通信利用光作为载体来传递信息B.光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理C.光导纤维传递光信号是利用光的色散原理D.目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝解析:光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝.答案:AD体验探究【问题】依据课本第78页的“实验与探究”内容，通过观察全反射现象，体验探究并分析总结出折射角随入射角变化而变化的规律，以及折射光线与入射光线强弱变化的对比情况. 导思:做好全反射实验是关键，光源最好用氦氖激光光源，而且要在较暗的环境中进行.要注意保证入射光经过圆心.仔细观察入射角的变化对反射光和折射光的影响.探究:注意观察实验中入射光、反射光、折射光的方向变化及能量分配关系:(1)折射角随着入射角的增大而增大；（2）折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，而反射光线的强度增强，能量增大；（3）当入射角增大到某一角度时（即临界角），折射光的能量减弱到零（即折射角等于90°），入射光的能量全部反射回到水中，即发生全反射.通过该实验，对全反射有进一步深刻的理解：（1）全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解.当光线从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射.（2）发生全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质；入射角i 大于或等于临界角C ，即i ≥C.(3)折射角等于90°时的入射角叫做临界角.由折射定律知，n ·sinC=1·sin90°,即sinC=n 1. 公式sinC=n1只适用于光由介质射向真空（或空气）时的临界角计算，即C 为介质对真空（或空气）的临界角.教材链接阅读课本第81页的“讨论与交流”，回答下列问题：（1）在什么情况下才能看见彩虹？为什么？（2）现在大城市为什么很难看见彩虹？（3）从对彩虹的分析中，你有哪些关于环境保护的设想？答:（1）彩虹是由于日光经过球状小水滴时，从空气射入球内要发生折射，从球内射向空气可能要发生全反射形成的.当阳光进入水滴后就被分解为七色光，这七色光再经过内表面反射进入我们的视角，我们就看见了七彩的虹.如图4-2-7甲所示是由于太阳光经过小水滴时，受到两次折射，一次反射，产生第一道彩虹，偏向程度与日光进行方向差138°，因此我们看到第一道彩虹呈现42°方位角，如图4-2-7中乙所示.如图4-2-7丙、丁所示，若日光受到两次折射、两次反射，则产生第二道彩虹（50°）.由于红光受折射偏向最小，蓝光最大.第一道彩虹的颜色排列由内向外是：蓝→红，第二道则是红→蓝.图4-2-7彩虹多发生在大雨过后，需背对阳光才看得到，每个人看到的彩虹都以观察者为中心形成42°或50°的光环.其实，彩虹不仅仅来自天空，在有水雾和阳光的地方，都有可能看见彩虹，因为彩虹实际上是白光通过水滴折射、反射后产生的.(2)大城市由于环境污染严重，空气中漂浮大量的粉尘等颗粒杂质，也使得空中的小水珠不再纯净，难以形成日光的折射和全反射，所以很难看到彩虹.（3）要爱护环境，保护大气层，减少有害气体的排放，植树造林.。
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(2)全反射遵循的规律： 光由光密介质进入光疏介质发生全反 射时，仍然遵守反射定律。有关计算仍可依据反射定律进行。 (3)光从光密介质射向光疏介质时， 只要入射角大于或等于临 界角 C，一定会发生全反射现象。 [特别提醒] (1)光疏介质、 光密介质是两种介质相比较而言的， 只有一种 介质，无法确定它是光疏介质还是光密介质。 (2)分析光的全反射时， 关键是根据临界条件画出恰好发生全 反射的光路图，再利用几何知识分析边角关系。
2．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： ①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 ，光射出棱镜时，传播方向改变了 90°。 ②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° 。 ③全反射棱镜的反射性能比镀银的平面镜 更好 。
答案：B
对全反射现象的解释
[自读教材· 抓基础]
1．解释全反射现象 (1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮， 是由于光射到气泡上发 生了 全反射 。 (2)在沙漠里， 接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射 率 小 ，从远处物体射向地面的光线的入射角 大于临界角 时发 生全反射，人们就会看到远处物体的倒影。
图 421
图 422 解析： 画出入射光线与出射光线反向延长线的交点则为发生
全反射的位置，再根据光的传播方向的变化，可知 B 正确。 答案：B
光导纤维及其应用
1．原理 利用了 全反射 原理。 2．构造 光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米 之间，由内芯和外层透明介质两层组成。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．应用 光纤通信先将 声音 信号转换为 光 信号， 利用光纤把 光 信号 输出；到接收端再将光信号还原为声音信号。 4．主要优点 容量 大、能量损耗小、抗干扰能力 强，保密性好等。 _____
知识点一
理解·教 材新知
知识点二 知识点三
第 4 章
第 2、 3 节
把握·命 题热点
命题点一 命题点二
应用合检测
第 2、 3 节
光的全反射__光导纤维及其应用
1．光疏介质和光密介质是相对的，区分 光疏介质和光密介质要看两种介质折 射率的大小关系。 2．光从光密介质射向光疏介质，且入射 角达到临界角时，将发生全反射，全 反射是一种特殊的光学现象。 3．全反射现象在日常生活中有很多应用， 如光导纤维利用全反射来传输信号。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
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 421 所示。方框内 有两个折射率 n＝1.5 的玻璃全反射棱镜。 图 422 中给 出了两棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生图 421 效果的是( )
[跟随名师· 解疑难]
1．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 光密介质
2．对全反射的理解
大 小
小 大
(1)全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能 量变化的角度加以理解。当光线从光密介质射入光疏介质，在 入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的 能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减 弱为零，发生了全反射。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
光导纤维的结构如图 424 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 424
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
图 423
i≥C(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射。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，在内 芯和外套的界面上发生全反射，如图 423 所示。
2．光纤通信 光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为载体来 传递信息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一 端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信。
[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)
光从一种介质射到另一种介质时，发生了全反射，则全反射发 生在 A．折射率较小的介质中 C．光速较大的介质中 ( B．折射率较大的介质中 D．入射角小于临界角 )
解析：光从光密介质射到光疏介质才可能发生全反射，且要求 入射角大于或等于临界角，而光密介质的折射率大、光速小。
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： ①光从 光密 介质射入 光疏 介质。 ②入射角 大于等于 临界角。 (3)临界角与折射率的关系：
1 sin C＝n ①定量关系： 光由介质射入空气(或真空)时， (公式)。
②定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越 小 ， 越 容易 发生全反射。
[跟随名师· 解疑难]
1．理解光导纤维的工作原理 (1)全反射是光导纤维的基本工作原理。 全反射的条件是： 光由 光密介质射入光疏介质， 且入射角大于或等于临界角。 临界角 C 的 1 大小满足：sin C＝n。 (2)光导纤维的构造就是为了满足光的全反 射。光纤一般由折射率较大的玻璃内芯和折射 率较小的外层透明介质组成。光在光纤内传播 时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角
全反射及其产生条件
[自读教材· 抓基础]
1．光疏介质和光密介质的概念 两种不同的介质，折射率较小的介质叫做 光疏 介质，折 射率较大的介质叫做 光密 介质。 2．全反射现象 (1)全反射及临界角的概念： ①全反射：光从 光密 介质射入 光疏 介质时，当入射角增 大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回光 密介质的现象。