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2.全反射1.了解光的全反射,知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、臨界角等概念。2.了解光導(dǎo)纖維的原理及應(yīng)用。3.理解全反射的條件,能利用全反射規(guī)律說(shuō)明相關(guān)問(wèn)題。4.視察全反射現(xiàn)象,經(jīng)驗(yàn)探究全反射規(guī)律的過(guò)程。5.借助全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用,培育學(xué)生愛(ài)好。全反射1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)對(duì)于折射率不同的兩種介質(zhì),我們把折射率較小的介質(zhì)稱(chēng)為光疏介質(zhì),折射率較大的介質(zhì)稱(chēng)為光密介質(zhì),光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對(duì)的。2.全反射當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí),同時(shí)發(fā)生折射和反射,當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達(dá)到90°時(shí),折射光線完全消逝,只剩下反射光線。這種現(xiàn)象叫作全反射,這時(shí)的入射角叫作臨界角。3.全反射的發(fā)生條件(1)光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。(2)入射角大于或等于臨界角。4.臨界角C與折射率n的關(guān)系sinC=1n介質(zhì)的折射率越大,光線發(fā)生全反射的臨界角越小。如圖所示,讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上,在這個(gè)邊與空氣的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。問(wèn)題1比較圖甲、乙,漸漸增大入射角,反射角(光線)和折射角(光線)有什么變更?提示:圖甲→圖乙:入射角漸漸增大,反射角、折射角都漸漸增大;反射光越來(lái)越強(qiáng),折射光越來(lái)越弱。問(wèn)題2視察圖丙,有什么特點(diǎn)?提示:圖丙中折射光線消逝,反射光與入射光的亮度幾乎相同,發(fā)生了全反射。1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的分析(1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較。介質(zhì)種類(lèi)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。任何兩種透亮介質(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)推斷誰(shuí)是光疏介質(zhì)或光密介質(zhì)。(3)光疏、光密與密度的關(guān)系: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)臨界角。①折射角等于90°時(shí)的入射角。②若光從光密介質(zhì)(折射率為n)射向真空或空氣時(shí),發(fā)生全反射的臨界角為C,則sinC=1n③介質(zhì)的折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小。(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,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)折射光線強(qiáng)度減弱,能量減小,反射光線強(qiáng)度增加,能量增加,當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí),折射光線強(qiáng)度減弱到零,反射光的能量等于入射光的能量?!镜淅?】(2024·全國(guó)甲卷)如圖,邊長(zhǎng)為a的正方形ABCD為一棱鏡的橫截面,M為AB邊的中點(diǎn)。在截面所在平面內(nèi),一光線自M點(diǎn)射入棱鏡,入射角為60°,經(jīng)折射后在BC邊的N點(diǎn)恰好發(fā)生全反射,反射光線從CD邊的P點(diǎn)射出棱鏡。求棱鏡的折射率以及P、C兩點(diǎn)之間的距離。[解析]設(shè)光在AB面的折射角為r,則由折射定律有n=sin光在BC面恰發(fā)生全反射,有sinC=1由幾何學(xué)問(wèn)有r+C=90°聯(lián)立解得sinC=277,sinr設(shè)BN=b,PC=c,則有sinr=a2a22+b2,sinC=[答案]72解決全反射問(wèn)題的基本思路(1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)。(2)若由光密介質(zhì)進(jìn)入空氣,則依據(jù)sinC=1n(3)依據(jù)題設(shè)條件,畫(huà)出入射角等于臨界角的“臨界光路”。(4)運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行推斷推理,進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析或定量計(jì)算。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1.如圖甲所示,為探討一半圓柱體透亮新材料的光學(xué)性質(zhì),用激光由真空沿半圓柱體徑向射入,入射光線與法線成θ角,光學(xué)傳感器CD可以探測(cè)反射光的強(qiáng)度。試驗(yàn)獲得從AB面反射回來(lái)的反射光的強(qiáng)度隨θ角變更的狀況如圖乙所示。光在真空中傳播速度為c,則該激光在這種透亮新材料中()A.折射率為3B.傳播速度為32C.θ=0°時(shí),反射光強(qiáng)度為0D.反射光的強(qiáng)度隨θ角的增大而增大B[依據(jù)題圖圖像可得當(dāng)θ=60°時(shí)激光發(fā)生全反射,依據(jù)折射定律得n=1sinθ=233,故A錯(cuò)誤;依據(jù)光的速度公式v=cn=全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維1.全反射棱鏡(1)形態(tài):截面為等腰直角三角形的棱鏡。(2)全反射棱鏡的特點(diǎn):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.光導(dǎo)纖維(1)導(dǎo)光原理:利用了光的全反射。(2)構(gòu)造: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。(3)光導(dǎo)纖維除應(yīng)用于光纖通信外,還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的內(nèi)窺鏡等。(4)光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是傳輸容量大、衰減小、抗干擾性及保密性強(qiáng)等。圖甲為雙筒望遠(yuǎn)鏡,其核心部件是全反射棱鏡;圖乙為醫(yī)用內(nèi)窺鏡,其重要部件是光導(dǎo)纖維做傳像束。問(wèn)題1全反射棱鏡應(yīng)用了光的全反射原理,其構(gòu)造有什么特點(diǎn)?提示:全反射棱鏡的截面是等腰直角三棱鏡。問(wèn)題2光導(dǎo)纖維應(yīng)用了什么原理?其構(gòu)造有什么特點(diǎn)?提示:光導(dǎo)纖維應(yīng)用了光的全反射原理,是特別細(xì)的特制玻璃絲,它由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套的大。1.光通過(guò)全反射棱鏡時(shí)的幾種入射方式入射方式方式一方式二方式三光路圖入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光線方向變更角度90°180°0°(發(fā)生側(cè)移)2.光導(dǎo)纖維內(nèi)芯的折射率設(shè)光導(dǎo)纖維內(nèi)芯的折射率為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)生全反射,如圖所示。則有sinC=1n,n=sinθ1sinθ2,C+θ2=90°,由以上各式可得sinθ1=n2-1。由圖可知:當(dāng)θ1增大時(shí),θ2增大,而從纖維射向空氣中的光線的入射角θ減小。當(dāng)θ1【典例2】如圖所示,一根長(zhǎng)為l=5.0m的光導(dǎo)纖維用折射率n=2的材料制成。一束激光由其左端的中心點(diǎn)以45°的入射角射入光導(dǎo)纖維內(nèi),經(jīng)過(guò)一系列全反射后從右端射出,真空中光的傳播速度c=3.0×108m/s,求:(1)該激光在光導(dǎo)纖維中的速度v;(2)該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間。[解析](1)由n=cv可得v≈2.1×108(2)由n=sinθ由幾何關(guān)系可以求出光線在光導(dǎo)纖維中通過(guò)的總路程s=2l3,因此該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間t=sv≈2.7×10[答案](1)2.1×108m/s(2)2.7×10-8s求解光導(dǎo)纖維問(wèn)題的留意點(diǎn)(1)全反射問(wèn)題:要使光在光導(dǎo)纖維側(cè)面發(fā)生全反射,光在光纖側(cè)面的入射角必需大于或等于臨界角,留意光在光纖側(cè)面的入射角與進(jìn)入光纖端面時(shí)的入射角之間的關(guān)系。(2)傳播時(shí)間問(wèn)題:光在光纖中的傳播時(shí)間,等于光纖長(zhǎng)度與光在光纖中的傳播速度在光纖軸線方向的重量的比值。在剛好發(fā)生全反射時(shí),光在光纖中的傳播速度在光纖軸線方向的重量最小,傳播時(shí)間最長(zhǎng)。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2.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,其框外光線如圖所示,方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n=1.5的全反射棱鏡。下列選項(xiàng)中給出了兩個(gè)棱鏡的四種放置方式的示意圖,其中能滿意題意的是()ABCDB[四個(gè)選項(xiàng)中棱鏡產(chǎn)生的光路效果如圖所示,由光路圖知,選項(xiàng)B滿意題意。ABCD]3.(多選)(2024·廣東深圳高二月考)光纖通信采納的光導(dǎo)纖維由內(nèi)芯和外套組成,長(zhǎng)為L(zhǎng),其側(cè)截面如圖所示,一復(fù)色光以入射角θ0從軸心射入光導(dǎo)纖維后分為a、b兩束單色光,兩單色光在內(nèi)芯和外套界面多次全反射后從光導(dǎo)纖維另一端射出,已知內(nèi)芯材料對(duì)a光的折射率為n,真空中的光速為c。下列說(shuō)法正確的是()A.內(nèi)芯材料對(duì)b光的折射率大于nB.在內(nèi)芯中a光傳播速度比b光小C.若a光恰好發(fā)生全反射,則在這段光纖中的傳播時(shí)間為nD.當(dāng)sinθ0漸漸增大到n2-AC[設(shè)折射角為α,依據(jù)n=sinθ0sinα,由于a光的折射角大于b光的折射角,因此內(nèi)芯材料對(duì)b光的折射率大于對(duì)a光的折射率n,故A正確;依據(jù)n=cv,由于內(nèi)芯對(duì)a光的折射率小于對(duì)b光的折射率,因此在內(nèi)芯中a光傳播速度比b光大,故B錯(cuò)誤;若a光恰好發(fā)生全反射,光線a的臨界角為C,有sinC=1n,則在這段光纖中的傳播時(shí)間為t=設(shè)外套的折射率為n1>1,內(nèi)芯對(duì)外套的相對(duì)折射率為n′,則n′=nn1,sinC=隨著入射角θ0漸漸增大,光線a與邊界間的夾角漸漸減小,恰好達(dá)到臨界角時(shí),依據(jù)幾何關(guān)系C+α=π2,而n=sinθ0sinα,整理得sinθ0=n2-n1.(多選)關(guān)于全反射,下列說(shuō)法中正確的是()A.光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射B.光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射C.光從折射率大的介質(zhì)射入折射率小的介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射D.光從其傳播速度大的介質(zhì)射入其傳播速度小的介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射AC[當(dāng)光從光密介質(zhì)(折射率大的介質(zhì))射入光疏介質(zhì)(折射率小的介質(zhì))時(shí)有可能發(fā)生全反射;由n=cv2.水中的空氣泡、玻璃中的空氣泡,看上去比較亮,對(duì)這一現(xiàn)象表述正確的是()A.空氣泡對(duì)光線有會(huì)聚作用B.空氣泡對(duì)光線有發(fā)散作用C.從空氣泡到達(dá)水或玻璃與氣泡分界面處的光一部分發(fā)生全反射形成的D.從水中或玻璃中射到空氣泡界面處的光一部分發(fā)生全反射形成的D[當(dāng)光從水中或玻璃中射到空氣泡的界面處時(shí),一部分光的入射角大于或等于臨界角,發(fā)生了全反射現(xiàn)象,所以水中的空氣泡和玻璃中的空氣泡看起來(lái)比較亮。故選D。]3.如圖所示的長(zhǎng)直光纖,柱芯為玻璃,外層用折射率比玻璃小的介質(zhì)包覆。若光線自光纖左端進(jìn)入,與中心軸的夾角為θ,則下列有關(guān)此光線傳播方式的敘述,正確的是()A.不論θ為何值,光線都不會(huì)發(fā)生全反射B.不論θ為何值,光線都會(huì)發(fā)生全反射C.θ夠小時(shí),光線才會(huì)發(fā)生全反射D.θ夠大時(shí),光線才會(huì)發(fā)生全反射C[發(fā)生全反射的條件是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)及入射角i要大于或等于臨界角C,即光線傳播到光纖側(cè)面時(shí)的入射角i應(yīng)滿意i=90°-θ≥C,θ≤90°-C,故選項(xiàng)C正確。]4.(2024·江蘇太倉(cāng)高級(jí)中學(xué)月考)瓦斯是無(wú)色、無(wú)味、透亮的氣體,折射率比空氣大。如圖所示的是煤礦安保系統(tǒng)中常用的一種邏輯推斷元件,這種元件的“核心構(gòu)件”是兩個(gè)完全相同的、截面為等腰直角三角形的棱鏡,兩棱鏡被平行拉開(kāi)一小段距離,形成的通道與礦道大氣相通。棱鏡對(duì)紅光的折射率為1.5,一束紅光從棱鏡1的左側(cè)垂直射入,下列說(shuō)法正確的是()A.正常狀況下這束紅光能通過(guò)棱鏡2射出B.將入射光改成綠光能提高瓦斯檢測(cè)的靈敏度C.只要礦道空氣中存在瓦斯,這束紅光便不能從棱鏡2射出D.只有礦道空氣中瓦斯達(dá)到危急濃度時(shí),這束紅光才能從棱鏡2射出D[因?yàn)槔忡R對(duì)紅光的折射率為1.5,所以當(dāng)一束紅光從棱鏡1的左側(cè)垂直射入時(shí),在棱鏡1的斜邊的入射角為45°,正常狀況下會(huì)發(fā)生全反射,所以正常狀況下這束紅光不能通過(guò)棱鏡2射出,故A錯(cuò)誤;因?yàn)榫G光的折射率比紅光大,故將入射光改成綠光不能提高瓦斯檢測(cè)的靈敏度,故B錯(cuò)誤;當(dāng)?shù)V道空氣中瓦斯的濃度足夠大時(shí),這束紅光才能從棱鏡2射出,故C錯(cuò)誤,D正確。]回來(lái)本節(jié)學(xué)問(wèn),自我完成以下問(wèn)題:1.發(fā)生全反射的條件是什么?提示:光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì),入射角大于或等于臨界角。2.密度大的介質(zhì)肯定是光密介質(zhì)嗎?提示:不肯定。3.光的全反射有哪些常見(jiàn)應(yīng)用?提示:全反射棱鏡、光導(dǎo)纖維、內(nèi)窺鏡。光纖通信發(fā)展新趨勢(shì)——全光網(wǎng)絡(luò)在光纖光纜中實(shí)現(xiàn)超高速、超大容量和超長(zhǎng)距離的傳輸是光纖通信技術(shù)不懈追求的,而實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)覆蓋是光纖通信的最終目標(biāo)。所謂全光網(wǎng)絡(luò),是指網(wǎng)絡(luò)傳輸與網(wǎng)絡(luò)交換過(guò)程全部以光信號(hào)完成,只在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。在傳輸過(guò)程中無(wú)需對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理,因此可采納SDH、PDH和ATM等各種傳輸方式,有效地提高網(wǎng)絡(luò)利用率。全光網(wǎng)絡(luò)將是光纖通信技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)和志向階段,將來(lái)的超高速通信網(wǎng)絡(luò)將由全光網(wǎng)絡(luò)覆蓋。現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)僅僅實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的全光通信,而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部分仍為電器件,電器件自身的性能成了通信系統(tǒng)骨干網(wǎng)總?cè)萘刻岣叩囊淮笃款i。全光網(wǎng)絡(luò)中全部環(huán)節(jié)的電節(jié)點(diǎn)都由光節(jié)點(diǎn)替換,節(jié)點(diǎn)之間的通信也實(shí)現(xiàn)了全光化,信息的傳輸與交換始終以光信號(hào)形式完成,在對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算與處

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