新教材2024年秋高中物理第4章光2.全反射教师用书含答案新人教版选择性必修第一册

2．全反射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。3．理解全反射的条件，能利用全反射规律说明相关问题。4．视察全反射现象，经验探究全反射规律的过程。5．借助全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用，培育学生爱好。全反射1．光疏介质和光密介质对于折射率不同的两种介质，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，光疏介质与光密介质是相对的。2．全反射当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消逝，只剩下反射光线。这种现象叫作全反射，这时的入射角叫作临界角。3．全反射的发生条件(1)光线从光密介质进入光疏介质。(2)入射角大于或等于临界角。4．临界角C与折射率n的关系sinC＝1n介质的折射率越大，光线发生全反射的临界角越小。如图所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。问题1比较图甲、乙，渐渐增大入射角，反射角(光线)和折射角(光线)有什么变更？提示：图甲→图乙：入射角渐渐增大，反射角、折射角都渐渐增大；反射光越来越强，折射光越来越弱。问题2视察图丙，有什么特点？提示：图丙中折射光线消逝，反射光与入射光的亮度几乎相同，发生了全反射。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。介质种类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。任何两种透亮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推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)临界角。①折射角等于90°时的入射角。②若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为C，则sinC＝1n③介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。(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，反射光线强度增加，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】(2024·全国甲卷)如图，边长为a的正方形ABCD为一棱镜的横截面，M为AB边的中点。在截面所在平面内，一光线自M点射入棱镜，入射角为60°，经折射后在BC边的N点恰好发生全反射，反射光线从CD边的P点射出棱镜。求棱镜的折射率以及P、C两点之间的距离。[解析]设光在AB面的折射角为r，则由折射定律有n＝sin光在BC面恰发生全反射，有sinC＝1由几何学问有r＋C＝90°联立解得sinC＝277，sinr设BN＝b，PC＝c，则有sinr＝a2a22+b2，sinC＝[答案]72解决全反射问题的基本思路(1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。(2)若由光密介质进入空气，则依据sinC＝1n(3)依据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。(4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行推断推理，进行动态分析或定量计算。[跟进训练]1．如图甲所示，为探讨一半圆柱体透亮新材料的光学性质，用激光由真空沿半圆柱体径向射入，入射光线与法线成θ角，光学传感器CD可以探测反射光的强度。试验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变更的状况如图乙所示。光在真空中传播速度为c，则该激光在这种透亮新材料中()A．折射率为3B．传播速度为32C．θ＝0°时，反射光强度为0D．反射光的强度随θ角的增大而增大B[依据题图图像可得当θ＝60°时激光发生全反射，依据折射定律得n＝1sinθ＝233，故A错误；依据光的速度公式v＝cn＝全反射棱镜和光导纤维1．全反射棱镜(1)形态：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。2．光导纤维(1)导光原理：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。图甲为双筒望远镜，其核心部件是全反射棱镜；图乙为医用内窥镜，其重要部件是光导纤维做传像束。问题1全反射棱镜应用了光的全反射原理，其构造有什么特点？提示：全反射棱镜的截面是等腰直角三棱镜。问题2光导纤维应用了什么原理？其构造有什么特点？提示：光导纤维应用了光的全反射原理，是特别细的特制玻璃丝，它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大。1．光通过全反射棱镜时的几种入射方式入射方式方式一方式二方式三光路图入射面ABACAB全反射面ACAB、BCAC光线方向变更角度90°180°0°(发生侧移)2．光导纤维内芯的折射率设光导纤维内芯的折射率为n，当入射光线的入射角为θ1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。则有sinC＝1n，n＝sinθ1sinθ2，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sinθ1＝n2-1。由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中的光线的入射角θ减小。当θ1【典例2】如图所示，一根长为l＝5.0m的光导纤维用折射率n＝2的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，真空中光的传播速度c＝3.0×108m/s，求：(1)该激光在光导纤维中的速度v；(2)该激光在光导纤维中传输所经验的时间。[解析](1)由n＝cv可得v≈2.1×108(2)由n＝sinθ由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝2l3，因此该激光在光导纤维中传输所经验的时间t＝sv≈2.7×10[答案](1)2.1×108m/s(2)2.7×10-8s求解光导纤维问题的留意点(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需大于或等于临界角，留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重量的比值。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重量最小，传播时间最长。[跟进训练]2．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的全反射棱镜。下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满意题意的是()ABCDB[四个选项中棱镜产生的光路效果如图所示，由光路图知，选项B满意题意。ABCD]3．(多选)(2024·广东深圳高二月考)光纤通信采纳的光导纤维由内芯和外套组成，长为L，其侧截面如图所示，一复色光以入射角θ0从轴心射入光导纤维后分为a、b两束单色光，两单色光在内芯和外套界面多次全反射后从光导纤维另一端射出，已知内芯材料对a光的折射率为n，真空中的光速为c。下列说法正确的是()A．内芯材料对b光的折射率大于nB．在内芯中a光传播速度比b光小C．若a光恰好发生全反射，则在这段光纤中的传播时间为nD．当sinθ0渐渐增大到n2-AC[设折射角为α，依据n＝sinθ0sinα，由于a光的折射角大于b光的折射角，因此内芯材料对b光的折射率大于对a光的折射率n，故A正确；依据n＝cv，由于内芯对a光的折射率小于对b光的折射率，因此在内芯中a光传播速度比b光大，故B错误；若a光恰好发生全反射，光线a的临界角为C，有sinC＝1n，则在这段光纤中的传播时间为t＝设外套的折射率为n1>1，内芯对外套的相对折射率为n′，则n′＝nn1，sinC＝随着入射角θ0渐渐增大，光线a与边界间的夹角渐渐减小，恰好达到临界角时，依据几何关系C＋α＝π2，而n＝sinθ0sinα，整理得sinθ0＝n2-n1．(多选)关于全反射，下列说法中正确的是()A．光从光密介质射入光疏介质时可能发生全反射B．光从光疏介质射入光密介质时可能发生全反射C．光从折射率大的介质射入折射率小的介质时可能发生全反射D．光从其传播速度大的介质射入其传播速度小的介质时可能发生全反射AC[当光从光密介质(折射率大的介质)射入光疏介质(折射率小的介质)时有可能发生全反射；由n＝cv2．水中的空气泡、玻璃中的空气泡，看上去比较亮，对这一现象表述正确的是()A．空气泡对光线有会聚作用B．空气泡对光线有发散作用C．从空气泡到达水或玻璃与气泡分界面处的光一部分发生全反射形成的D．从水中或玻璃中射到空气泡界面处的光一部分发生全反射形成的D[当光从水中或玻璃中射到空气泡的界面处时，一部分光的入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象，所以水中的空气泡和玻璃中的空气泡看起来比较亮。故选D。]3．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C[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应满意i＝90°－θ≥C，θ≤90°－C，故选项C正确。]4．(2024·江苏太仓高级中学月考)瓦斯是无色、无味、透亮的气体，折射率比空气大。如图所示的是煤矿安保系统中常用的一种逻辑推断元件，这种元件的“核心构件”是两个完全相同的、截面为等腰直角三角形的棱镜，两棱镜被平行拉开一小段距离，形成的通道与矿道大气相通。棱镜对红光的折射率为1.5，一束红光从棱镜1的左侧垂直射入，下列说法正确的是()A．正常状况下这束红光能通过棱镜2射出B．将入射光改成绿光能提高瓦斯检测的灵敏度C．只要矿道空气中存在瓦斯，这束红光便不能从棱镜2射出D．只有矿道空气中瓦斯达到危急浓度时，这束红光才能从棱镜2射出D[因为棱镜对红光的折射率为1.5，所以当一束红光从棱镜1的左侧垂直射入时，在棱镜1的斜边的入射角为45°，正常状况下会发生全反射，所以正常状况下这束红光不能通过棱镜2射出，故A错误；因为绿光的折射率比红光大，故将入射光改成绿光不能提高瓦斯检测的灵敏度，故B错误；当矿道空气中瓦斯的浓度足够大时，这束红光才能从棱镜2射出，故C错误，D正确。]回来本节学问，自我完成以下问题：1．发生全反射的条件是什么？提示：光由光密介质进入光疏介质，入射角大于或等于临界角。2．密度大的介质肯定是光密介质吗？提示：不肯定。3．光的全反射有哪些常见应用？提示：全反射棱镜、光导纤维、内窥镜。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，因此可采纳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志向阶段，将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形式完成，在对数据信息进行计算与处