【高中教育】最新高中物理第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教学案鲁科版选修3
高中物理第4章光的折射与全反射第2讲光的全反射光导纤维及其应用学案鲁科版选修3_40128384.docx
第2讲 光的全反射 光导纤维及其应用[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.4.知道全反射棱镜的原理．一、全反射及其产生条件1．全反射：光从某种介质入射到空气中时，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介质内．这种现象称为全反射现象，简称全反射．2．临界角：刚好发生全反射(即折射角变为90°)时的入射角． 公式：sin C ＝1n3．光疏介质和光密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．4．发生全反射的条件：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角． 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． 二、对全反射现象的解释1．全反射现象：海水的浪花呈白色、鱼缸中上升的气泡亮晶晶，在沙漠里看到的蜃景、炎热夏天的路面格外明亮光滑． 2．全反射棱镜全反射棱镜的截面为等腰直角三角形．它的反射性能比镀银的平面镜更好，精密的光学仪器用它代替镀银平面镜来反射光线． 三、光导纤维及其应用 1．光导纤维的工作原理(1)光导纤维：把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，然后再包上折射率比它小的材料，就制成了光导纤维，简称光纤．(2)传导原理：光纤一般由折射率较高的玻璃内芯和折射率较低的外层透明介质组成．光在光导纤维内传播时，由光密介质(n 1)入射到光疏介质(n 2)，若入射角i ≥C ，光就会在光纤内不断发生全反射． 2．光纤通信光导纤维具有质地轻、弯曲自如、传光效率高、抗机械振动、耐腐蚀性好、能量损耗小、抗干扰能力强、保密性好等优点，光纤通信的容量比微波通信高103～104倍．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，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，且入射角大于等于临界角，二者缺一不可，选项B 、D 错误．选项C 正确． 答案 C针对训练 某种介质对空气的折射率是2，一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sin C ＝1n ＝12，得C ＝45°＜θ＝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二、全反射的应用 1．全反射棱镜 (1)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，它的反射率更高．②反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小．(2)全反射棱镜改变光路的两种常见情况．如图1甲、乙所示．图12．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，抗干扰性强等． (3)应用：光纤通讯，医学上的内窥镜等．图2例2 光导纤维的结构如图2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 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，从图形发光面边缘的A 点发出的一条光线射到玻璃上表面A ′点恰好发生全反射，则sin C ＝1n①sin C ＝LL 2＋h 2②其中L ＝R －r ③联立①②③解得n ＝L 2＋h 2L＝1＋(hR －r)2答案1＋(hR －r)2对全反射的理解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 AC2．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3.图3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．其中能产生图中效果的是( )解析 四个选项产生光路效果如图所示：由图可知B 项正确． 答案 B 4.图4图示4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 i ＝n sin r ①设该光线射向玻璃丝内壁D 点的入射角为α，为了使该光线可在此光导纤维中传播，应有α≥θ②式中θ是光线在玻璃丝内发生全反射的临界角，它满足n sin θ＝1③ 由几何关系得α＋r ＝90°④ 由①②③④得sin i ≤n 2－1⑤(2)光在玻璃丝中传播速度的大小为v ＝c n⑥ 光速在玻璃丝轴线上的分量为v x ＝v sin α⑦ 光线从玻璃丝端面AB 传播到其另一端面所需时间为t ＝L v x⑧ 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②③⑥⑦⑧式，得t max ＝n 2Lc答案 (1)sin i ≤n 2－1 (2)n 2Lc(时间：60分钟)题组一 光疏介质和光密介质 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，故A 错，B 对；由v ＝c n可知，光在光密介质中的速度较小，故C 错，D 对． 答案 BD2．一束光从介质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中正确的是( )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：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B 正确，A 错误；由n ＝cv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．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，故B 、C 对，A 、D 错． 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几十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、抗干抗性强等特点．在实际应用中，光纤是可以弯曲的．答案 C5．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( )解析光垂直于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．如图，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 A8．如图2所示，夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中．古人不明白产生这种景象的原因，对它作了不科学的解释，认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的，因而叫做“海市蜃楼”，也叫蜃景．沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可及，这也是“蜃景”．下列有关蜃景的说法中错误的是( )．图2A．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小B．沙面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小C．a是蜃景，b是景物D．c是蜃景，d是景物解析海面上，下层空气的温度比上层低，则下层空气的密度比上层要大，故下层空气的折射率比上层空气的折射率要大，选项A正确；由于人眼认为光线是沿直线传播的，故a是蜃景，b是景物，选项C正确；太阳照到沙面上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小，即上层折射率大，选项B错误；从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射．人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒影，故c是蜃景，d是景物，选项D正确．答案 B9.图3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( )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图410．如图4所示，一束白光从顶角为θ的棱镜的一个侧面AB 以较大的入射角i 入射，经过三棱镜后，在屏P 上可得到彩色光带，当入射角逐渐减小到零的过程中，若屏上的彩色光带先后全部消失，则( ) A ．红光最先消失，紫光最后消失 B ．紫光最先消失，红光最后消失 C ．紫光最先消失，黄光最后消失 D ．红光最先消失，黄光最后消失解析 依题意作出白光通过三棱镜的光路，如图所示．可看出紫光的偏折最大，由全反射的临界角公式sin C ＝1n，知紫光的临界角最小，所以紫光一定首先在AC 面上发生全反射而从光屏上消失，后面依次是靛、蓝、绿、黄、橙、红，选项B 正确． 答案 B题组三 综合应用 11.图5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( )A ．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v ＝λf ，可知光从空气进入棱镜，光速变小，频率不变，所以波长变小，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.图6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．(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7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sin α的值．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73图814．一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8所示．求：(1)液体的折射率；(2)液体表面亮斑的面积．解析 (1)由图知入射角i ＝30°，折射角r ＝180°－105°－30°＝45°，n ＝sin r sin i＝ 2. (2)若发生全反射，入射角C 应满足sin C ＝1n，C ＝45° 亮斑半径R ＝H tan C ＝H ，亮斑面积S ＝πH 2.答案 (1) 2 (2)πH 215.图9如图9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：(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 r sin 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Csin 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鲁科34鲁科高二34物理
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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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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。
第4章 第2+3节 光的全反射 光导纤维及其应用同步备课课件 鲁科版选修3-4课件
(4)临界角 ①定义：刚好发生全反射(即折射角为 90°)时的入射角 称为全反射的临界角，用 C 表示． ②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＝sisni9n0C°， 即 sinC＝1n. ③不同色光的临界角：不同颜色的光由同一介质射向空
r＋
d n2－1
d n2－1 .
图 4－2－3 1．(多选)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 M 和界面 N，光线从界面 M 射入玻璃砖，再 从界面 N 射出，回到空气中，如果改变光到达界面 M 时的 入射角，则( )
(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 光由光密介质射入到光疏介质中时，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 光线都被反射回原介质，这种现象称为全反射现象，简称全 反射． (1)全反射的条件 ①光由光密介质射向光疏介质． ②入射角大于等于临界角．
第 2 节 光的全反射 第 3 节 光导纤维及其应用
教师用书独具演示
●课标要求 1.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并
知识与 能解决相关的实际问题. 技能 2.知道光导纤维及其应用．
过 程 与 方 学会将自然现象转化为物理模型，利用光路图等
法
知识解决问题.
1.在应用全反射知识分析解释自然现象的过程
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．
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。
光的全反射与光导纤维
光的全反射与光导纤维随着科技的进步和应用的不断扩展，光学技术在通信领域中扮演着重要的角色。
光的全反射和光导纤维作为光学传输的关键概念，不仅在通信技术中具有重要应用，也在其他领域展现出巨大潜力。
本文将对光的全反射以及光导纤维的原理和应用进行探讨。
一、光的全反射光的全反射是指当光从一种介质射向另一种光密介质的界面时，当入射角大于临界角时，光将完全反射回原介质中，不发生折射现象。
这一现象是由光在介质之间传播时遵循的折射定律和菲涅尔反射定律共同决定的。
光的折射定律描述了光在两种介质之间传播时的行为，即入射角和折射角之间的关系。
当光从光密介质射向光疏介质时，入射角大于临界角时，根据折射定律，无法找到折射角使得光通过界面传播，因此光将发生全反射。
光的全反射在光学器件中起到至关重要的作用。
例如，光学棱镜和光纤的工作原理正是基于光的全反射。
通过合理设计光学元件的形状和表面特性，可以实现对光的传输、聚焦、分光等功能，为现代光学技术的发展提供了基础。
二、光导纤维光导纤维是一种利用光的全反射原理传输光信号的纤维结构。
它由一个或多个纤维芯和包围着纤维芯的光纤包层构成。
纤维芯是光信号传输的核心部分，由高折射率材料构成；光纤包层则是为了保护纤维芯并减小信号的损耗而存在。
光导纤维通过光的全反射特性，将光信号从一端传输到另一端。
当光从纤维芯射入，它会以全反射的方式在纤维芯内部传播，几乎不发生能量损耗。
这使得光导纤维在光通信、传感器和医学等领域有广泛的应用。
在光通信领域，光导纤维替代了传统的电信号传输方式，具有带宽大、传输损耗低、抗干扰能力强等优势。
它成为了实现高速宽带通信的重要基础设施。
同时，光导纤维在医学影像等领域的应用也受到广泛关注。
三、光的全反射与光导纤维的关系光的全反射是光导纤维能够传输光信号的基础。
正是光的全反射提供了光信号在光导纤维中的持续传播，使得光导纤维具有了高效的信号传输能力。
光导纤维的设计和制造严格依据光的全反射原理。
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——教学资料参考参考范本——【高中教育】最新高中物理第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教学案鲁科版选修3______年______月______日____________________部门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。
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。
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定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝(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．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2．对全反射的理解(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。
(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。
[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B．折射率较大的介质中C．光速较大的介质中 D．入射角小于临界角解析：选B 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。
对全反射现象的解释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。
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。
[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( )图421图422解析：选B 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。
光导纤维及其应用[自读教材·抓基础]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。
[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的大小满足：sin C＝。
(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。
图4232．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424A．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：选A 光导纤维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，从而使载有声音、图像以及各种数字信号的激光在光纤中远距离传递，故只有A对。
对全反射现象的考查[典题例析]1．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？[思路点拨] 画光路图―→确定临界角―→求最小半径解析：根据题意，光路图如图所示，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。
图中Δr＝dtan C＝d，而sin C＝，则cos C ＝，所以Δr＝。
故应贴圆纸片的最小半径R＝r＋Δr＝r＋。
答案：r＋dn2－1[探规寻律]解答这一类问题要抓住折射定律和发生全反射的条件。
而解决全反射问题的关键为：(1)准确地作出光路图。
(2)抓住特殊光线的分析，尤其是正确找出边界光线。
如果发生全反射，则刚好发生全反射的临界光线就是边界光线。
(3)正确利用几何知识或结合临界角与折射率的关系解决。
[跟踪演练]如图425，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方。
一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带。
若入射点由A向B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失。
在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是( )图425B．减弱，红光A．减弱，紫光D．增强，红光C．增强，紫光解析：选C 光在传播时随入射角增大，反射光能量增强，折射光能量减少。
根据能量守恒定律可知，当折射光线变弱或消失时反射光线的强度将增强，故A、B两项均错；在七色光中紫光频率最大且最易发生全反射，故光屏上最先消失的光是紫光，故C项正确，D项错误。
光导纤维的工作原理[典题例析]2．由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体。
要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多大？[审题指导]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。
解析：设激光束在光导纤维端面的入射角为i，折射角为α，折射光线射向侧面时的入射角为β，如图所示。
令入射角i＝90°，光线刚好能在侧壁发生全反射。
由折射定律得n＝，由几何关系得α＋β＝90°，则sin α＝cos β。
由全反射临界角的公式得sin β＝，则cos β＝。
又i＝90°，则sin i＝1，故n＝＝＝＝，解得n＝。
故要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，光导纤维的折射率应满足n≥。
答案：n≥ 2[探规寻律]一定要对光线变化过程进行分析，当入射角i从零逐渐增大的过程中，折射角α也增大，折射光线入射到侧壁的入射角β是减小的，如果当i增大到90°时，仍有β大于或等于临界角，题目要求就能满足，其临界条件是i＝90°，β＝arcsin。
找不出这个条件，就无法入手解答。
[跟踪演练]如图426所示，是两个城市间的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中，则下列判断中正确是( )图426A．n1＜n2，光通过光缆的时间等于n1LcB．n1＜n2，光通过光缆的时间大于n1LcC．n1＞n2，光通过光缆的时间等于n1LcD．n1＞n2，光通过光缆的时间大于n1Lc解析：选D 光从光密介质射入光疏介质，才可能发生全反射，故n1＞n2；光在内芯传播的路程s＝，光在内芯的传播速度v＝，所以t＝＝，故D正确。
[课堂双基落实]1．在医学上，光导纤维可以制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部。
内窥镜有两组光导纤维，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行观察。
光在光导纤维中的传输利用了( )A．光的折射B．光的衍射D．光的全反射C．光的干涉解析：选D 光导纤维简称光纤，是利用全反射的原理来传播光信号的，通常光纤是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射。
2．一束光线从折射率为1。
5的玻璃内射向空气，在界面上的入射角为45°。
如图427所示的四个光路图中，正确的是( )图427解析：选 A sin C＝＝<sin 45°＝，所以C<45°，所以发生全反射。