高中物理选择性必修一课公开课导学案3光的反射

3.光的全反射

课标要求

1.知道光硫介质、光密介质、全反射、临界角的概念.

2.知道全反射现象，理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.

3.了解全反射棱镜及光导纤维的工作原理和在生产、生活中的应用.

思维导图

此嫉介质和光密介陵物理观念

•:逮射现象卜全反射现象科学探究

光S!I一界角与折射率的关累I……；科

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科学态度与责任

必备知识•自主学习——突出基础性素养夯基

一、全反射现象

।.光疏介质和光密介质

(1)概念：两种介质比较，折射率较小的介质叫作介质，折射率较大的介质叫作

____介质.

(2)光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小.

(3)相对性：光疏介质和光密介质是的.

［导学1］

光疏介质和光密介质具有相对性，例如酒精对水是光密介质，但对水晶则是光疏介质.

2.全反射

光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射叵原介质中传播的现象叫作

［举例］

水下的潜水员认为水面上的所有景物都出现在倒立的圆锥里，就是光的全反射的一个例

证.

二、发生全反射的条件

I.临界角

我们把光从某种介质射向真空或空气、折射角为90。时的,称为这种介质的临

界角.

2.全反射的条件

要发生全反射，必须同时具备两个条件：

(1)光从光密介质射向介质.

(2)入射角大于等于临界角.

3.临界角与折射率的关系

定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，

(1)sinC=-n.

(2)定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越________发生全反射.

三、全反射的应用——光导纤维

I.光导纤维对光的传导原理

利用了原理.

2.光导纤维的构造

光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介

质两层组成.内芯的折射率比外套的折射率大，光传播忖在内芯与外套的界而上发生________

3.光导纤维的应用——光纤通信

光纤通信，就是把载有、和各种数字信号的激光从光纤的一端输入，

沿着光纤传到另一端去.

4.光纤通信的主要优点

容量大、衰减小、强、传输质量高.

[导学2]

发生全反射时，反射率很高，几乎达到100%,比平面镜的反射率高出了很多.

关键能力合作探究——突出综合性素养形成

探究点一全反射的理解

导学探究

当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确

吗？为什么？

归纳总结

1.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.

2.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，即折射光线能量减小，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.

3.解答全反射类问题的技巧：

(1)光必须从光密介质射入光疏介质才能发生全反射.

(2)入射角大于或等于临界角才能发生全反射.

(3)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键,

且在作光路图时比例应与实际相符，这样更有利于问题的分析.

典例示范

例1为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从A8面以60。入射角射入

长方体时光线刚好不能从面射出，如图所示，该材料的折射率是多少？

素养训练1(多选)如图所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条同一颜色、强度相同的光

线均由空气射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置.下列说法正确的是()

A.若三条光线中有一条在。点发生了全反射，那一定是。。光线

B.若光线8O能发生全反射，那么光线。。一定能发生全反射

C.若光线〃。能发生全反射，那么光线〃。一定能发生.全反射

D.若光线“O恰能发生全反射，则光线〃。的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大

素养训练2如图所示，三棱镜的横截面为直角三角形A8C,NA=30。，/8=60。.一束

平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜，在AC边发生反射后从BC边的M点射出.若

光线在P点的入射角和在M点的折射角相等.

(1)求三棱镜的折射率;

（2）在三极镜的AC边是否有光线透出？写出分析过程.（不考虑多次反射）

探究点二全反射的应用

归纳总结

1.光导纤维的传播原理

光由一端进入，在两层的界而上经过多次全反射，从另一端射出.光导纤维可以远距离

传播光，光信号又可以转换成甩信号，进而变为声音、图像.如果把许多（上万根）光导纤维

合成一束，并使两端的纤维按声格相同的次序排列，就可以传播图像了.

,，外套

A内芯

2.光导纤维的折射率

设光导纤维的折射率为〃，当入射角为仇时，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=A〃=曾，C+a=90。，由以上各式可得sind="^T.

nsinG2

由图可知：当小增大时，取增大，而从纤维射向空气中光线的入射角90。一仇减小，当

%=90。时，若90。一。=。，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得〃=&.以上

是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于■光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射

率大，因此实际内芯的折射率要比四大些.

典例示范

如图所示，一根长为/=5.0m的光导纤维是用折射率〃=或的材料制成的.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，求:

⑴该激光在光导纤维中的速度。:

（2）该激光在光导纤维中传输所经历的时间.

素养训练3（多选）光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，如图所示，其中内芯的

折射率为〃I，外套的折射率为〃2,下面说法正确的是（）

A.内芯和外套的折射率应满足小＞〃2

B.内芯和外套的折射率应满足加＜〃2

C.从左端面入射的光线，其入射角〃必须大于某值，全部光才能被传导

D.从左端面入射的光线，其入射角。必须小于某值，全部光才能被传导

素养训练4空气中两条光线a和力从方框左侧入射，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〃=1.5的全反射玻璃棱镜.下列选项给出了两棱镜

的四种放置方式的示意图.其中能产生图中效果的是（）

*7

ABCD

随堂演练・自主检测——突出创新性素养达标

1.关于全反射，下列叙述正确的是（）

A.发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱

B.光从光密介质射向光疏介质时，•定会发生全反射现象

C.光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象

D.光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象

2.（多选）当光从光密介质射向光疏介质时（）

A.反射光线的强度随入射角的增大而减小

B.折射光线的强度随入射角的增大而减小

C.当入射角等于临界角时，折射光线的强度等于零

D.当入射角等于零时，反射光线的强度等于零

3.一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，。点为该玻璃砖截面的圆心，下图中能正确描述

其光路的是（）

4.下列选项为光线由空气进入全反射玻璃棱镜再由棱镜射入空气的光路图.可以发生的

是（）

5.如图是网络信号在一段光纤中传播的示意图，则下列说法正确的是（）

，外包层

'纤芯

左端面

A.纤芯的折射率应小于外包层的折射率，才能使光信号在二者之间的界面处发生全反

射

B.增大左端面的入射角仇外包层与纤芯之间的界面处发生全反射的临界角随之增大

C.增大左端面的入射角氏左端面的折射角随之增大

D.增大左端面的入射角仇纤芯的折射率随之增大

3.光的全反射

必备知识咱主学习

1.⑴光疏光密⑶相对

2.全反射

^―•、

1.入射角

2.(1)光疏

3.(2)容易

1.全反射

2.全反射

3.声音图像

4.抗干扰能力

关键能力•合作探究

探究点一

【导学探究】

提示：不正确.要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质.而水相对玻璃是光疏

介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射.

【典例示范】

例1解析：如题图所示，根据折射定律得〃=四变①

sinr

由题意可知sinC=2②

n

而。=90。一广③

由②(③得cosr=2④

n

而cosr=Vl-sin2r,

代入④得A/1—si712r=乙⑤

联立①和⑤解得〃=?.

答案：7

素养训练I解析：三条入射光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖，在圆周界面，

它们的入射角为零，均不会偏折.在直径界面，光线。。的入射角最大，光线cO的入射角最

小，它们都是从光密介质射向光疏介质，都有发生全反射的可能.如果只有一条光线发生了

全反射，那一定是“O光线，因为它的入射角最大，A正确；若光线能发生全反射，说明

它的入射角等于或大于临界角，光线〃。的入射角更大，所以，光线“O一定能发生全反射,

光线cO的入射角可能大于临界角，也可能小于临界角，因此c。不一定能发生全反射，C正

确，B错误；若光线恰能发生全反射，光线〃。和cO都不能发生全反射，但的入射

角更接近于临界角，所以光线力。的反射光线较光线cO的反射光线强，即〃。的反射光线亮

度较大，D正确.

答案：ACD

素养训练2解析：（1）光路如图所示，图中N点为光线在AC边发生反射的入射点.

设光线在尸点的入射角为，、折射角为r,在M点的入射角为八折射角依题意得也为。

且/=60°①

由折射定律得

sin/=7?sinr②

nsin/•*=sini③

由②®式得④

00,为过M点的法线，NC为直角，OO，〃AC.由几何关系知NMNC="

由反射定律可知NPNA=/MNC⑥

联立④⑤⑥式得/PNA=r⑦

由几何关系得r=30。⑧

联立①②⑧式得”=次.⑨

（2）设在N点的入射角为V,由几何关系得

r=6o°⑩

此三棱镜的全反射临界角满足

nsinC=1®

由⑨@⑪式得i">C

此光线在N点发生全反射，三棱镜的AC边没有光线透出.

答案：（1）通（2）三棱镜的AC边没有光线透出分析见解析

探究点二

【典例示范】

例2解析：（1）由〃=（可得。七2』X心m/s.

（2）由〃=繇可得光线从左端面射入后的折射角为30%射到侧面时的入射角为6。。，大

于临界角45。，因此发生全反射.同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端

面，其光路如图所示.由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s=1,因此该

激光在光导纤维中传输所经历的时间/=三-2.7义10-81

V

答案：(1)2.1X1()8m/s(2)2.7X108s

素养训练3解析：光纤通信是利用光的全反射原理来工作的，光只有从光密介质进入

光疏介质中时，才能发生全反射，因而内芯和外套的折射率应满足用＞〃2.从题图中看由左端

面入射的光线，其入射角越小，进入介质后，在内芯与外套的界面上入射角越大，越易发生

全反射，故A、D正确.

答案：AD

素养训练4解析：四个选项的光路图如图所示：

可知B正确.

答案：B

随堂演练咱主检测

I.解析：发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以选项A错误；发生

全反射的条件是先从光密介质时向光流介质，且入射角大尸或等F临界角，二者缺一不可，

所以选项B、D错误，C正确.