2020-2021学年高二人教版物理选修3-4学案：第十三章 2　全反射 Word版含解析

1、2全反射一、全反射1不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质2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，若入射角增大到某一角度，折射光线就会完全消失，只剩下反射光线的现象(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，则sinc.3全反射的条件要发生全反射，必须同时具备两个条件：(1)光从光密介质射入光疏介质(2)入射角大于等于临界角二、全反射的应用1全反射棱镜的截面是等腰直角三角形，当光垂直于直角边射向棱镜时，光的传播方向改变了90°角，当光垂直于斜边射向棱镜时，光的传播方向改变了18

2、0°角2光导纤维及其应用(1)光导纤维对光的传导原理：利用了光的全反射(2)光导纤维的构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到一百微米，由内芯和外套两层组成内芯的折射率比外套的折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射(3)光导纤维的应用光纤通信光纤通信的主要优点是容量大，此外光纤传输还有衰减少、抗干扰性强等多方面的优点1为什么蓝色的海水会产生白色的浪花呢？2研磨成多面体的钻石光彩夺目，这是为什么呢？提示：都是因为光的全反射考点一全反射1光疏介质和光密介质(1)不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质光疏介质和光密介质是相

3、对的(2)光疏介质和光密介质的比较2全反射(1)定义：光由光密介质射向光疏介质时，若入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射如下图所示(2)发生全反射的条件：光从光密介质射入光疏介质入射角大于或等于临界角3临界角(1)定义：折射角为90°时的入射角，称为临界角，用c表示当折射角为90°时，恰好发生了全反射.实际上折射角为90°是不存在的，但它是发生全反射的临界角度，因此在利用折射定律求临界角时，认为折射角为90°.(2)临界角c的表示式：由折射定律知，光由某种介质射向真空(或空气)时，若刚好发

4、生全反射，则n.所以sinc.4对全反射的理解从能量角度看，光在两种介质分界面上发生反射和折射时，若不计介质的吸收，入射光能量会分配成反射光和折射光两部分，其中反射光能量随着入射角的增大而增强，折射光能量则随着入射角的增大而减弱因此，当入射角越小时折射光越强，而反射光越弱这正是我们看水底处物体时感到垂直下视时看得最清楚，而斜视时感到有些模糊的原因当发生全反射时，折射光能量等于零，入射光能量完全转化为反射光的能量公式sinc只适用于光由介质射向真空(或空气)时临界角的计算，即c为介质对真空(或空气)的临界角.【例1】(多选)如图所示，一束光由空气射到透明介质球上的a点，入射角为i，则()a当i足

5、够大时，在a点发生全反射b当i足够大时，光从球内向外射出时将发生全反射c无论i多大，在a点都不会发生全反射d无论i多大，光从球内向外射出时都不会发生全反射【导思】1.光疏介质与光密介质是怎么定义的？2光从一种介质射向另一种介质时一定会发生全反射吗？3发生全反射要满足什么条件？【解析】光从光密介质射向光疏介质时才可能发生全反射，因此光在a点由空气进入介质球时，肯定不能发生全反射；如右图所示，对于球上任意一点，球面法线一定过圆心o，设r为光从a点射入时的折射角，i为光从b点射出时的入射角它们为等腰三角形的两底角，因此有ir.根据折射定律n得，sinr，即随着i的增大，r增大，但显然r不能大于或等于

6、临界角c，故i也不可能大于或等于临界角，即光从b点射出时，也不可能发生全反射；同理，光从b点反射，光线射向d点，从d点射出时也不会发生全反射【答案】cd【规律总结】解决此类题目需要掌握以下规律：(1)发生全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质；入射角大于或等于临界角(2)正确作出光路图，分清入射角、折射角(3)熟悉应用几何知识，结合折射定律解题如图所示，介质的折射率为，介质为空气下列说法正确的是(c)a光线a、b都不能发生全反射b光线a、b都能发生全反射c光线a能发生全反射，光线b不能发生全反射d光线a不能发生全反射，光线b能发生全反射解析：与介质相比，介质为光密介质，由于介质是空气，根据发生

7、全反射的条件可知，光线b不可能发生全反射，b、d均错误；从介质射向介质的光线发生全反射的临界角c满足sinc，解得c45°.由题图可知，光线a的入射角为60°>c45°，光线a能发生全反射，因此a错误，c正确【例2】如下图所示，在厚度为d、折射率为n的大玻璃板的下表面，紧贴着一个半径为r的圆形发光面为了从玻璃板的上方看不见圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一张黑纸片，求所贴黑纸片的最小面积【导思】【解析】如图所示，设a点为发光面的右边缘，由a点发出的光线射向o点恰好发生全反射，则此时的入射角为玻璃的临界角，在o点外侧玻璃的上表面不再有折射光线b点为a点在玻璃上

8、表面的对应点那么r即为玻璃上表面透光面圆的最大半径，即黑纸片的最小半径由临界角公式有：sin，由几何关系有：cot，解得.所以黑纸片的最小半径rr，黑纸片的最小面积s2.【答案】2【规律总结】解决此类问题有以下规律：(1)解决全反射问题的关键是准确熟练地作出光路图，根据临界角的条件，作出特殊光线，其他光线通过分析可求得(2)解决此类问题的一般顺序：先根据题意在图中画出光路图，再根据临界角公式sinc和折射率公式n，结合几何知识求解如图所示，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形状，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

9、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上时能(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射答案：(1)解析：(1)如图所示，单色光照射到ef弧面上时刚好发生全反射，由全反射的条件得临界角c45°，由折射定律n，解得n.(2)入射角大于临界角，能发生全反射考点三全反射现象的应用1全反射棱镜横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜它在光学仪器里，常用来代替平面镜，改变光的传播方向下表为光通过全反射棱镜时的几种方式.2.“海市蜃楼”由于空中大气的折射和全反射，会在空中出现“海市蜃楼”在风平浪静的日子，站在海滨，有时可以看到远处的空中出现了高楼耸立、街道棋布、山峦重

10、叠等景象(1)气候条件：当大气层比较平静时，海面上空气的温度比空中低，空气的密度随温度的降低而增大，使空气的下层折射率比上层大(如右图所示)(2)光路分析：远处的景物发出的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较低的上一层的入射角越来越大，当入射角增大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较低的下一层在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像，这就是“海市蜃楼”的景象如下图甲所示3“沙漠蜃景”人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒景(如图乙所示)，仿佛是从水面反射出来的一样在炎热夏天的柏油马路上，有时也能看到上述现象方法指导结论：

11、因为接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小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，经过多次折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射4光导纤维(1)光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1100 m，由内芯和外套两层组成(如图所示)，内芯折射率比外套大，光在内芯中传播时，在内芯与外套的界面发生全反射，有效减小了光的能量损失，极大提高了传播的质量，实现了远距离传送因此，光信号能携带着数码信息、电视图像、声音信息等沿着光纤传播到很远的地方，实现光纤通信(2)光导纤维的折射率设光导纤维的折射率为n，当入射光线入射角为1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示

12、则有：sinc，n，c290°，由以上各式可得sin1.由图可知：当1增大时，2增大，而从纤维射向空气中的光线的入射角减小当190°时，若c，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有sin90°，解得n.当光导纤维的折射率为时，就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维的折射率实际上要比大些.【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)【导思】光导纤维利用了全反射原理，应从发生全反射的条件去分析计算【解析】设当入射角

13、为i，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：sinc，n，cr90°.由以上各式可得：sini，iarcsin.可见i只要不大于arcsin，光线就能连续不断地发生全反射，从光导纤维的一端传到另一端【答案】不大于arcsin【点拨】实际上光导纤维包有外套，由于外套折射率比真空的折射率大，实际入射角应比前面计算出的i值要小些光导纤维问题，应抓住光从端面折射，折射光到侧面发生全反射，画出光路图，找出各角之间的关系，问题就能得到解决(多选)在平静无风的沙漠上，有时眼前会突然耸立起亭台楼阁、城墙古堡，或者其他物体的幻影，虚无缥缈，变幻莫测，宛如仙境，这就是沙漠中的“海市

14、蜃楼”现象，如图所示下列关于此现象的成因及说法正确的是(ac)a沙漠中的“海市蜃楼”现象的形成是由于发生了全反射b沙漠中的“海市蜃楼”现象的形成是由于发生了干涉c沙漠地表附近的空气折射率从下到上逐渐增大d沙漠地表附近的空气折射率从下到上逐渐减小解析：沙漠地表下层空气温度比上层高，密度比上层小，故沙漠地表附近的空气折射率从下到上逐渐增大，c正确，d错误沙漠中的“海市蜃楼”现象的形成是由于发生了全反射，a正确，b错误重难疑点辨析正确理解光密介质和光疏介质1光密介质与光疏介质是相对的，同一种介质，既可以是光密介质也可以是光疏介质，应具体问题具体分析例如，玻璃相对水而言是光密介质，而相对金刚石而言则是

15、光疏介质2光密介质与光疏介质是由两种介质的折射率的相对大小决定的，而与密度的大小无关，光密介质的折射率较大，但密度不一定较大例如，酒精(n1.36)相对于水(n1.33)是光密介质，但酒精的密度却小于水的密度3列表比较.光的速度折射率光疏介质大小光密介质小大4.由折射定律可知，当光由光疏介质斜射入光密介质(例如由空气斜射入水)时，折射角小于入射角；当光由光密介质斜射入光疏介质(例如由水斜射入空气)时，折射角大于入射角【典例】对下列自然现象描述正确的是()a在海面上，向远方望去，有时能看到远方的景物悬在空中同样，在沙漠中也能观察到同样的现象b在沙漠中，向远方望去，有时能看到远方景物的倒影同样，在

16、海面上也能观察到同样的现象c在海面上，向远方望去，有时能看到远方的景物悬在空中在沙漠中，向远方望去，有时能看到远方景物的倒影d在海面上，向远方望去，有时能看到远方景物的倒影在沙漠中，向远方望去，有时能看到远方的景物悬在空中【解析】夏天海面上的下层空气温度比上层低，密度比上层大，折射率也大，远处景物发出的光线射向空中时，由于不断被折射，越来越偏离法线方向，进入上层空气的入射角不断增大，以至于发生全反射，人们逆着光线看去，就会看到远处景物悬在空中夏天沙漠里接近沙面的空气温度高，因而密度比上层的小，折射率也小，远处景物射向地面的光线进入折射率小的下层热空气层时被折射，入射角不断增大，也能发生全反射，

17、人们逆着反射的光线看去，就会看到远处景物的倒影故正确的答案为c.【答案】c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，一定会发生全反射现象一般情况下，光由一种介质到达另一种介质时，光既有反射又有折射，即光的能量有一部分反射回原介质中，而另一部分则进入另一种介质中，而发生全反射时，光的能量全部反射回原介质中1(多选)酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到在一定距离之外，地面显得格外明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影但当你靠近“水面”时，它也随着你的靠近而后退对此现象正确的解释是(ad)a出现的是“海市蜃楼”，是由于光的折射造成的b“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生

18、的幻觉c太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率大，发生全反射d太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率小，发生全反射解析：酷热的夏天地面温度高，地表附近空气的密度小，空气的折射率下小上大，远处车、人反射的太阳光由光密介质射入光疏介质发生全反射22010年世博会在上海举行，为保证通信质量，各场馆间铺设了光缆甲、乙、丙、丁四种介质的折射率如表(1)所示，现欲从中选出两种介质作为光导纤维的内芯和包层，则表(2)中所列a、b、c、d四种方案中你认为合理的方案是(a)(1)介质甲乙丙丁折射率1.701.891.601.38(2)abcd内芯乙丙丁丁包层丁乙甲丙解析：折射率大的介质在内层才能发生全反射现象3.(多选)如图为一直角棱镜的横截面，bac90°，abc60°.一平行细光束从o点沿垂直于bc面的方向射入棱镜已知棱镜材料