高中物理人教版4第十三章光2光的干涉 第13章

2全反射學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.理解光的全反射，會(huì)利用全反射解釋有關(guān)現(xiàn)象．2．理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射并能畫出相應(yīng)的光路圖．(重點(diǎn))3．了解全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維.全反射eq\a\vs4\al([先填空])1．光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)光密介質(zhì)定義折射率較小的介質(zhì)折射率較大的介質(zhì)傳播速度光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的傳播速度小折射特點(diǎn)光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角2.全反射及發(fā)生條件(1)全反射及臨界角的概念①全反射：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，若入射角增大到某一角度，折射光線就會(huì)消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象．②臨界角：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)全反射的條件要發(fā)生全反射，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：①光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)．②入射角等于或大于臨界角．(3)臨界角與折射率的關(guān)系光由介質(zhì)射入空氣(或真空)時(shí)，sinC＝eq\f(1,n)(公式)．eq\a\vs4\al([再判斷])1．密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì)．(×)2．兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)是光密介質(zhì)．(√)3．光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)具有絕對(duì)性．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．只有一種介質(zhì)能否確定它是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？【提示】不能．光密介質(zhì)、光疏介質(zhì)是對(duì)確定的兩種介質(zhì)相比較折射率而確定的，只有一種介質(zhì)是無(wú)法比較折射率的，從而無(wú)法確定它是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)．2．為什么水中或玻璃中的氣泡看起來(lái)特別明亮？【提示】水或玻璃中的氣泡是光疏介質(zhì)，光經(jīng)過水或玻璃照射氣泡時(shí)，一部分光會(huì)發(fā)生全反射，相對(duì)于其他物體而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由氣泡發(fā)出的，因此人眼感覺氣泡特別明亮．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．對(duì)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對(duì)而言的，并沒有絕對(duì)的意義．例如：水晶(n＝對(duì)玻璃(n＝是光密介質(zhì)，而對(duì)金剛石(n＝來(lái)說(shuō)，就是光疏介質(zhì)．同一種介質(zhì)到底是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)，不是絕對(duì)的．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?。?，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介質(zhì)．由v＝eq\f(c,n)可知：光在光密介質(zhì)中傳播速度比在光疏介質(zhì)中要?。庠趦煞N介質(zhì)中傳播時(shí)，由折射定律可知：n1sinθ1＝n2sinθ2，n1v1＝n2v2，由此可知：當(dāng)光從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；當(dāng)光從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角．光在光疏介質(zhì)中傳播的速度大于光在光密介質(zhì)中傳播的速度．2．對(duì)全反射的理解(1)全反射是光的折射的特殊現(xiàn)象，全反射現(xiàn)象還可以從能量變化角度加以理解．當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增強(qiáng)，折射光的能量逐漸減弱，當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，折射光的能量已經(jīng)減弱為零，發(fā)生了全反射．(2)全反射遵循的規(guī)律：光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時(shí)，仍然遵守反射定律，有關(guān)計(jì)算仍依據(jù)反射定律進(jìn)行．1．下列選項(xiàng)所示光線由空氣透過半圓形玻璃磚，再射入空氣的光路圖中，正確的是(玻璃的折射率為()【解析】【答案】BDE2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為、、和，如果光按以下幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：23570090】A．從玻璃射入水晶 B．從水射入二硫化碳C．從玻璃射入水中 D．從水晶射入水E．從玻璃射入二硫化碳【解析】發(fā)生全反射的條件之一是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)折射率較大，故A、C、D正確．【答案】ACD3.為了測(cè)定某種材料制成的長(zhǎng)方體的折射率，用一束光線從AB面以60°入射角射入長(zhǎng)方體時(shí)光線剛好不能從BC面射出，如圖13-2-1所示，該材料的折射率是多少？圖13-2-1【解析】如題圖所示，根據(jù)折射定律：n＝eq\f(sin60°,sinr)①由題意可知sinC＝eq\f(1,n)②而C＝90°－r③由②③得cosr＝eq\f(1,n)④而cosr＝eq\r(1－sin2r)，代入④得eq\r(1－sin2r)＝eq\f(1,n)⑤聯(lián)立①和⑤解得n＝eq\f(\r(7),2).【答案】eq\f(\r(7),2)解答全反射類問題的技巧1．光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)．2．入射角大于或等于臨界角．3．利用好光路圖中的臨界光線，準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵，且在作光路圖時(shí)盡量與實(shí)際相符，這樣更有利于問題的分析．全反射的應(yīng)用eq\a\vs4\al([先填空])1．全反射棱鏡：截面為等腰直角三角形的棱鏡，利用全反射改變光的方向．2．光導(dǎo)纖維：由折射率較大的內(nèi)芯和折射率較小的外套組成，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射．eq\a\vs4\al([再判斷])1．光從密度大的介質(zhì)射入密度小的介質(zhì)時(shí)一定能發(fā)生全反射．(×)2．全反射棱鏡和平面鏡都是根據(jù)全反射原理．(×)3．光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)是容量大．(√)eq\a\vs4\al([后思考])微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂，光纖為什么要由兩層介質(zhì)構(gòu)成？【提示】光纖的工作原理是全反射，要由兩種介質(zhì)配合才能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．對(duì)全反射棱鏡光學(xué)特性的兩點(diǎn)說(shuō)明(1)當(dāng)光垂直于它的一個(gè)界面射入后，都會(huì)在其內(nèi)部發(fā)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高．(2)反射時(shí)失真小，兩種反射情況如圖13-2-2甲、乙所示．圖13-2-22．光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，由內(nèi)芯和外套兩層組成．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，使反射光的能量最強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送．因此，光信號(hào)能攜帶著聲音、圖象以及各種數(shù)字信號(hào)沿著光纖傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方，實(shí)現(xiàn)光纖通信，其主要優(yōu)點(diǎn)是容量大，衰減小，抗干擾性強(qiáng)等．醫(yī)學(xué)上用光導(dǎo)纖維制成內(nèi)窺鏡，用來(lái)檢查人體的胃、腸等器官內(nèi)部，如圖13-2-3所示．圖13-2-34．空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖13-2-4所示，方框內(nèi)有兩個(gè)折射率為n＝的全反射玻璃棱鏡．在框內(nèi)畫出兩個(gè)棱鏡的放置方式并作出光路圖．圖13-2-4【答案】5．華裔科學(xué)家高錕獲得2023年諾貝爾物理獎(jiǎng)，他被譽(yù)為“光纖通訊之父”．光纖通訊中信號(hào)傳播的主要載體是光導(dǎo)纖維，它的結(jié)構(gòu)如圖13-2-5所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播．內(nèi)芯的折射率比外套的________，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與________的界面上發(fā)生全反射.【導(dǎo)學(xué)號(hào)：23570091】圖13-2-5【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．【答案】大外套6．如圖13-2-6所示，一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的直光導(dǎo)纖維，它的折射率為n.光從它的一個(gè)端面射入，從另一端面射出所需的最長(zhǎng)時(shí)間為多少？(設(shè)光在真空中的光速為c)圖13-2-6【解析】該題考查光導(dǎo)纖維的全反射及光速問題．由題中的已知條件可知，要使光線從光導(dǎo)纖維的一端射入，然后從它的另一端全部射出，必須使光線在光導(dǎo)纖維中發(fā)生全反射現(xiàn)象．要使光線在光導(dǎo)纖維中經(jīng)歷的時(shí)間最長(zhǎng)，就必須使光線的路徑最長(zhǎng)，即光對(duì)光導(dǎo)纖維的入射角最小，光導(dǎo)纖維的臨界角為C＝arcsineq\f(1,n).光在光導(dǎo)纖維中傳播的路程為d＝eq\f(L,sinC)＝nL，光在光導(dǎo)纖維中傳播的速度為v＝eq\f(c,n)，所需的最長(zhǎng)時(shí)間為tmax＝eq\f(nL,\f(c,n))＝eq\f(n2L,c).【答案】eq\f(n2L,c)對(duì)光導(dǎo)纖維折射率的要求設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射光線的入射角為θ1時(shí)，進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)恰好發(fā)生全發(fā)射，如圖13-2-7所示，則有：sinC＝eq\f(1,n)，n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sinθ1＝eq\r(n2