全反射高二物理素养提升学案（人教版2019选择性）

高中物理选择性必修一素养提升学案第四章光

全反射【核心素养目标】物理观念1.了解光的全反射，知道光疏介质、光密介质、临界角等概念。2.了解光导纤维的原理及应用。科学思维理解全反射的条件，能利用全反射规律解释相关问题。科学探究观察全反射现象，经历探究全反射规律的过程。科学态度与责任借助全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用，培养学生兴趣。【知识点探究】知识点一全反射1.光疏介质和光密介质（1）光疏介质：折射率较小（填“大”或“小”）的介质。（2）光密介质：折射率较大（填“大”或“小”）的介质。（3）光疏介质与光密介质是相对（填“相对”或“绝对”）的。2.全反射现象（1）全反射：光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。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，光从介质射入空气（真空）时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是sinC=。（3）全反射发生的条件①光从光密介质射入光疏介质。②入射角等于或大于临界角。【特别提醒】光从光密介质进入光疏介质只有入射角大于等于临界角时才会发生全反射。知识点二全反射棱镜和光导纤维1.全反射棱镜（1）形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。（2）全反射棱镜的特点：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，它的反射率很高。【特别提醒】全反射棱镜可以使光线传播的方向改变90°。全反射棱镜和平面镜相比，反射时能量损失要小。2.光导纤维（1）原理：利用了光的全反射。（2）构造：由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。（3）光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。（4）光纤通信的优点是传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。【考点探究】考点1对全反射的理解夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮，这是什么道理呢？提示：光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，有更多的光反射到人的眼睛中，人就会感觉特别明亮。1.光疏介质和光密介质的分析：（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）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断谁是光疏介质或光密介质。（3）光疏、光密与密度的关系：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。2.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。（3）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。同时折射光线强度减弱，能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。【典例1】（2020·课标全国Ⅱ理综·34（2））1．直角棱镜的折射率n=1.5，其横截面如图所示，图中∠C=90°，∠A=30°。截面内一细束与BC边平行的光线，从棱镜AB边上的D点射入，经折射后射到BC边上。（1）光线在BC边上是否会发生全反射?说明理由；（2）不考虑多次反射，求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值。【答案】（1）光线在E点发生全反射；（2）【详解】（1）如图，设光线在D点的入射角为i，折射角为r。折射光线射到BC边上的E点。设光线在E点的入射角为，由几何关系，有=90°–（30°–r）>60°①根据题给数据得sin>sin60°>②即θ大于全反射临界角，因此光线在E点发生全反射。（2）设光线在AC边上的F点射出棱镜，光线的入射角为i'，折射角为r'，由几何关系、反射定律及折射定律，有i=30°③i'=90°–θ④sini=nsinr⑤nsini'=sinr'⑥联立①③④⑤⑥式并代入题给数据，得⑦由几何关系，r'即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角。思路点拨：解题的关键是在第（1）问中找到光线在AB面的入射角i与在BC面的入射角θ之间的关系，并能以特殊角度作为中介快速判断θ与全反射临界角的关系。【方法归纳】全反射问题的解题方法解决全反射问题的关键点有两个（1）准确熟练地作好光路图。（2）抓住特殊光线进行分析。求光线照射的范围时，关键是找出边界光线。如果发生全反射，刚能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。考点2全反射现象的应用如图所示，自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。那么自行车的尾灯利用了什么原理？提示：利用了全反射原理。1.对全反射棱镜光学特性的两点说明（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，它的反射率很高。（2）反射时失真小，两种反射情况如图甲、乙所示。2.光导纤维的结构与应用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，由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射，使反射光的能量最强，实现远距离传送。因此，光信号能携带着声音、图像以及各种数字信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信，其主要优点是容量大，衰减小，抗干扰性强等。医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体的胃、肠等器官内部，如图所示。【命题角度1】全反射棱镜的应用【典例2】2．如图所示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）【答案】【详解】光路如图所示。由题意，设光线在CD和EA面的入射角均为θ，根据几何关系可得解得根据可知，当光线在CD和EA面上恰好发生全反射时，即θ恰好等于C时，折射率有最小值，为思路点拨：本题考查光的全反射规律的应用，正确画出光路图是解决本题的关键。【命题角度2】光导纤维的应用【典例3】3．如图所示，一根长为L的直光导纤维的折射率为，光从它的一个端面射入，又从另一端面射出，所需的最长时间是.(设光在真空中的光速为c)【答案】【详解】光在光导纤维内是以全反射的方式传播的，每次的入射角都大于或等于临界角，但等于临界角时路程最大，时间最长，如图所示．由几何关系知：sinC=△s=n△L设光经N次全反射从另一个端面射出，则总路程为s．s=（N+1）△s=（N+1）n△L=n（N+1）△L=nL因光在玻璃中的传播速度v=c/n，则有光在玻璃中传播的时间．点睛：考查光的全反射条件，掌握光的折射定律，理解sinC=1/n公式的含义，知道最长时间时，入射角恰好等于临界角．【特别提醒】解决光导纤维类问题要注意两点（1）全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。（2）传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值，在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，时间最长。【同步训练】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，其框外光线如图所示。方框内有两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。下列选项中给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生上述效果的是()A． B． C． D．【答案】B【详解】玻璃折射率为，由临界角公式得可得出玻璃砖的临界角，则当光线垂直直角边进入玻璃砖，射到斜边上时入射角为45°，光线能发生全反射，故可知B图可产生如图所示的效果；故选B。5．如图所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层用折射率比玻璃小的介质包覆。若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为θ，则下列有关此光线传播方式的叙述，正确的是（）A．不论θ为何值，光线都不会发生全反射B．不论θ为何值，光线都会发生全反射C．θ够小时，光线才会发生全反射D．θ够大时，光线才会发生全反射【答案】C【详解】发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质及入射角i要大于或等于临界角C，即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足整理可得即θ够小时，光线才会发生全反射。故选C。（2023山东枣庄高二期末）6．如图中方框区域内有一个位置可以任意摆放的全反射棱镜，其横截面是等腰直角三角形，光线1、2、3、4表示的是入射光线，经过棱镜后，相应的出射光线是、、、下图4种情况中，哪些是可能实现的（

）A． B．C． D．【答案】ABC【详解】A.将全反射棱镜如图放置，可满足要求，选项A正确；B.将全反射棱镜如图放置，可满足要求，选项B正确；C.将全反射棱镜如图放置，可满足要求，选项C正确；D.全反射棱镜对光路有两种控制作用：将光的传播方向改变90°，或是改变180°，而没有会聚光线的作用，选项D选项错误。（2023四川遂宁三诊）7．如图甲所示，一个边长为3d的匀质玻璃立方体内有一个三棱柱真空“气泡”，立方体置于水平桌面上，其中某一截面图如图乙所示，A、B、C、D为正方形四个顶点，Q、N为底边的三等分点，MN垂直于底边，PO平行于底边，O为QM的中点，，D、P位置有相同的光源。真空中光速为c，不考虑光的反射。（1）D处光源向O点发出一束光恰好不能进入“气泡”，求该玻璃的折射率；（2）P处光源向O点发出一束光，求该束光第一次穿过“气泡”的时间。【答案】（1）；（2）【详解】（1）作出光路图如图所示由几何关系可知，OQ=DQ则可知易知，可得由全反射解得（2）作出光路图如图所示可知，而可得则由数学关系可得再由数学知识由正弦定理在气泡中有可得（或）（2023河南四市二模）8．如图所示△ABC为某透明棱镜的横截面，其中∠B=60°，∠C=45°。一束单色光由真空从边上的P点射入棱镜，在AC边上恰好没有光线射出，最终为单色光线垂直于BC边射出棱镜。已知光在真空中传播的速度为c，求：（1）棱镜对该单色光的折射率以及单色光在棱镜中的传播速度；（2）光线从P进入棱镜时的入射角。【答案】（1），；（2）45°【详解】（1）在AC上刚好没有光射出，光垂直BC边射出，而∠C=45，则可以确定临界角为45，由临界角公式得解得该单色光在棱镜中的传播速度解得（2）根据题意作出光路图如图所示经P点射入棱镜的光线平行于BC边，根据几何关系知折射角为r=30°根据折射定律得sini=nsinr解得i=45°9．一湖面上有一伸向水面的混凝土观景台，如图所示是截面图，观景台下表面恰好和水面相平，A为观景台右侧面在湖底的投影，水深h=4m。在距观景台右侧面x=4m处有一可沿竖直方向移动的单色点光源S，现该光源从距水面高3m处向下移动到接近水面的过程中，观景台水下被照亮的最远距离为AC，最近距离为AB，若AB=3m，求：（1）水的折射率n；（2）光能照亮的最远距离AC（计算结果可以保留根号）。【答案】(1)；(2)【详解】（1）点光源S在距水面高3m处发出的光在观景台右侧面与水面交接处折射到水里时，被照亮的距离为最近距离AB，由于所以，水的折射率（2）点光源S接近水面时，光在观景台右侧面与水面交接处掠射到水里时，被照亮的距离为最远距离AC，此时，入射角为90°，折射角为临界角C，则解得【课堂小结】回归本节知识，自我完成以下问题：1.发生全反射的条件是什么？提示：光由光密介质射入光疏介质，入射角大于或等于临界角。2.密度大的介质一定是光密介质吗？提示：不一定。3.光的全反射有哪些常见应用？提示：全反射棱镜、光导纤维。【知识拓展】光纤通信发展新趋势——全光网络在光纤光缆中实现超高速、超大容量和超长距离的传输是光纤通信技术所不懈追求的，而实现全光网络覆盖是光纤通信的最终目标。所谓全光网络，是指网络传输与网络交换过程全部以光信号完成，只在进出网络时才进行光电转换。在传输过程中无需对电信号进行处理，因此可采用SDH、PDH和ATM等各种传输方式，有效地提高网络利用率。全光网络将是光纤通信技术发展的终极目标和理想阶段，未来的超高速通信网络将由全光网络覆盖。现有的光纤网络仅仅实现了网络节点之间的全光通信，而网络节点部分仍为电器件，电器件自身的性能成为了通信系统骨干网总容量提高的一大瓶颈。全光网络中全部环节的电节点都由光节点替换，节点之间的通信也实现了全光化，信息的传输与交换始终以光信号