2017年高中物理 第4章 光的波動性 4.5 全反射與光導纖維 激光學案 滬科版選修3-4

《2017年高中物理 第4章 光的波動性 4.5 全反射與光導纖維 激光學案 滬科版選修3-4》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017年高中物理 第4章 光的波動性 4.5 全反射與光導纖維 激光學案 滬科版選修3-4（12頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 5　全反射與光導纖維　激光 [學習目標定位]　1.認識光的全反射現(xiàn)象，知道光疏介質、光密介質、全反射、臨界角的概念.2.理解發(fā)生全反射的條件，能計算有關問題和解釋相關現(xiàn)象.3.知道全反射棱鏡及其應用.4.了解光導纖維的工作原理及其在生產、生活中的應用.5.了解激光的特性和應用，了解全息照相的原理． 1．光在兩種介質的分界面發(fā)生反射時，反射角等于入射角，當發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦成正比．(填“入射角”“反射角”“折射角”之間的關系) 2．光疏介質和光密介質 折射率較小的介質稱為光疏介質，折射率較大的介質稱為光密介質．光疏介質與光密介質是相對的． 3．全反射

2、現(xiàn)象 (1)臨界角：光由光密介質射入光疏介質時，當入射角增大到一定程度時，折射角就會增大到90°，這時的入射角叫做臨界角． (2)全反射現(xiàn)象：當光線由光密介質射入光疏介質時，如果入射角大于臨界角，就發(fā)生全反射現(xiàn)象，也叫做全內反射． 4．全反射的應用 (1)全反射棱鏡：截面為等腰直角三角形的棱鏡，利用全反射改變光路． (2)光導纖維：由折射率較大的內層纖芯和折射率較小的外面包層組成，光傳播時在內層纖芯與外面包層的界面上發(fā)生全反射． 5．激光的特點及應用 性質 應用 相干性：激光具有頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的特點，是人工產生的相干光，具有高度的相干性 　　　光纖通信

3、 平行度：激光的平行度非常好，傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度 激光會聚一點，讀取光盤上記錄的信息等 亮度高：它可以在很小的空間和很短的時間內聚集很大的能量 用激光束切割、焊接，醫(yī)學上可以用激光做“光刀”，核工業(yè)中用激光激發(fā)核反應等 一、全反射 [問題設計] 光從空氣射入水中時，入射角大于折射角，由光路可逆知當光從水中射入空氣時，折射角大于入射角(如圖1所示)．若入射角i逐漸增大，折射角r如何變化？猜想一下當i增大到90°的過程中會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ 圖1 答案　由＝n知當i增大，r也會增大，隨著i的增大，r先增大到90°，若i再增大，則折射光線會消失． [要點提煉]

4、 1．光疏介質和光密介質 　　名稱 項目 光疏介質 光密介質 定義 折射率較小的介質 折射率較大的介質 傳播速度 光在光密介質中的傳播速度比在光疏介質中的傳播速度?。? 折射特點 (1)光從光疏介質射入光密介質時，折射角小于入射角． (2)光從光密介質射入光疏介質時，折射角大于入射角． 備注 (1)光疏和光密是從介質的光學特性來說的，并不是它的密度大?。? (2)光疏介質和光密介質是相對而言的，并沒有絕對的意義. 2．全反射現(xiàn)象 (1)臨界角：折射角為90°時的入射角稱為全反射臨界角，簡稱臨界角，用C表示，C＝arcsin . (2)全反射發(fā)生的條件 ①光從

5、光密介質射入光疏介質． ②入射角大于或等于臨界角． (3)全反射現(xiàn)象中能量分配關系 ①折射角隨著入射角的增大而增大，折射角增大的同時，折射光線的強度減弱，即折射光線的能量減小，亮度減弱，而反射光線的強度增強，能量增大，亮度增強． ②當入射角增大到某一角度時(即臨界角)，折射光能量減弱到零(即折射角為90°)，入射光的能量全部反射回來，這就是全反射現(xiàn)象． 例1　如圖2所示，半圓形玻璃磚放在空氣中，三條同一顏色、強度相同的光線，均由空氣射入玻璃磚，到達玻璃磚的圓心位置．下列說法正確的是(　　) 圖2 A．假若三條光線中有一條在O點發(fā)生了全反射，那一定是aO光線 B. 假若光線b

6、O能發(fā)生全反射，那么光線cO一定能發(fā)生全反射 C．假若光線bO能發(fā)生全反射，那么光線aO一定能發(fā)生全反射 D．假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO的反射光線比光線cO的反射光線的亮度大 解析　三條入射光線沿著指向圓心的方向由空氣射向玻璃磚，在圓周界面，它們的入射角為零，均不會偏折．在直徑界面，光線aO的入射角最大，光線cO的入射角最小，它們都是從光密介質射向光疏介質，都有發(fā)生全反射的可能．如果只有一條光線發(fā)生了全反射，那一定是aO光線，因為它的入射角最大，所以選項A對．假若光線bO能發(fā)生全反射，說明它的入射角等于或大于臨界角，光線aO的入射角更大，所以，光線aO一定能發(fā)生全反射，光線c

7、O的入射角可能大于或等于臨界角，也可能小于臨界角，因此，cO光線不一定能發(fā)生全反射．所以選項C對，B錯．假若光線aO恰能發(fā)生全反射，則光線bO和光線cO都不能發(fā)生全反射，但bO光線的入射角更接近于臨界角，所以，光線bO的反射光線較光線cO的反射光線強，即光線bO的反射光線亮度較大，所以D對，本題答案選A、C、D. 答案　ACD 二、全反射現(xiàn)象的應用 [問題設計] 如圖3所示，自行車后有尾燈，它雖然本身不發(fā)光，但在夜間行駛時，從后面開來的汽車發(fā)出的強光照在尾燈后，會有較強的光被反射回去，使汽車司機注意到前面有自行車．那么自行車的尾燈采用了什么原理？ 圖3 答案　采用了全反射的原理

8、． [要點提煉] 1．全反射棱鏡 (1)構造：截面為等腰直角三角形的棱鏡． (2)特點：①當光垂直于它的一個界面射入后，會在其內部發(fā)生全反射，比平面鏡的反射率高，幾乎可達100%；②反射面不必涂任何反光物質，反射失真?。? 2．光導纖維 (1)原理：利用了光的全反射． (2)構造：光導纖維由內層纖芯和外面包層兩層組成．內層纖芯的折射率比外面包層的大．光傳播時在內層纖芯與外面包層的界面上發(fā)生全反射． (3)特點：容量大，能量損耗小、抗干擾能力強，保密性好等． 例2　光導纖維的結構如圖4所示，其內芯和外套材料不同，光在內芯中傳播．以下關于光導纖維的說法正確的是(　　) 圖4

9、 A．內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射 B．內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射 C．內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生折射 D．內芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護作用 解析　光導纖維很細，它由內芯和外套兩層組成，內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發(fā)生全反射． 答案　A 三、全反射的定量計算 例3　如圖5所示，水的折射率為n，水面上漂浮著一圓木板，圓木板中央豎直插著一根大頭針，且在水中部分長為h.若從圓木板四周恰好看不到大頭針的頂尖P，則圓木板的面積是多少？

10、圖5 解析　當P點光線射到木板邊緣時恰好發(fā)生全反射，即在空氣中沒有出射光 線，則圓木板半徑r＝htan C，又由全反射公式sin C＝知，cos C＝.即tan C＝，則r＝. 面積S＝πr2＝. 答案　 1．全反射與光導纖維 2．激光 1．(2014·福建·13)如圖，一束光由空氣射向半圓柱體玻璃磚，O點為該玻璃磚截面的圓心，下圖能正確描述其光路的是(　　) 答案　A 解析?、俟鈴牟ＡТu射向空氣時，如果入射角大于臨界角，則發(fā)生全反射；如果入射角小于臨界角，則在界面處既有反射光線，又有折射光線，但折射角應大于入射角，選項A正確，選項C錯誤． ②當光從空氣射入

11、玻璃磚時，在界面處既有反射光線，又有折射光線，且入射角大于折射角，選項B、D錯誤． 2．光從介質a射向介質b，如果要在a、b介質的分界面上發(fā)生全反射，那么必須滿足的條件是(　　) A．a是光密介質，b是光疏介質 B．光在介質a中的速度必須大于在介質b中的速度 C．光的入射角必須大于或等于臨界角 D．光的入射角必須小于臨界角 答案　AC 3．讓激光照到VCD機、CD機或計算機的光盤上，就可以讀出盤上記錄的信息，經過處理后還原成聲音和圖像，這是利用光的(　　) A．平行度好，可以會聚到很小的一點上 B．相干性好，可以很容易形成干涉圖樣 C．亮度高，可以在很短時間內集中很大的能量

12、 D．波長短，很容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象 答案　A 解析　激光的特點之一是平行度好，它可以會聚到一個很小的點上，DVD、VCD、CD唱機或電腦上的光驅及刻錄設備就利用了激光的這一特點，選項A正確，B、C、D錯誤． [基礎題] 1．關于全反射，下列說法中正確的是(　　) A．發(fā)生全反射時，仍有折射光線，只是折射光線非常弱，因此可以認為不存在折射光線而只有反射光線 B．光線從光密介質射向光疏介質時，一定會發(fā)生全反射 C．光線從光疏介質射向光密介質時，不可能發(fā)生全反射 D．水或玻璃中的氣泡看起來特別亮，是因為光從水或玻璃射向氣泡時，在界面發(fā)生了全反射 答案　CD 解析　光從光

13、密介質射向光疏介質時，當入射角增大到某一角度后，折射光線完全消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象叫全反射，故A、B錯誤，C正確；光從水或玻璃射向氣泡時，一部分光在界面發(fā)生了全反射，即反射光增強，透射光減弱，使氣泡看起來特別亮，D正確． 2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按下面幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是(　　) A．從水晶射入玻璃 B．從水射入二硫化碳 C．從玻璃射入水中 D．從水射入水晶 答案　C 解析　本題考查發(fā)生全反射的條件，光只有從光密介質射入光疏介質才可能發(fā)生全反射，從水晶射入玻璃、從水射入二硫化碳、從水射入水晶都

14、是從光疏介質射入光密介質，都不可能發(fā)生全反射，故A、B、D錯誤，從玻璃射入水中是從光密介質射入光疏介質，有可能發(fā)生全反射，故C正確． 3．如圖1所示，ABCD是平面平行的透明玻璃磚，AB面和CD面平行，它們分別是玻璃和空氣的界面，設為界面Ⅰ和界面Ⅱ，光線從界面Ⅰ射入玻璃磚，再從界面Ⅱ射出，回到空氣中，如果改變光到達界面Ⅰ時的入射角，則(　　) 圖1 A．只要入射角足夠大，光線在界面 Ⅰ 上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 B．只要入射角足夠大，光線在界面 Ⅱ 上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 C．不管入射角多大，光線在界面 Ⅰ 上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象 D．不管入射角多大，光線在界面 Ⅱ 上都不可能發(fā)生

15、全反射現(xiàn)象 答案　CD 解析　在界面Ⅰ光由空氣進入玻璃磚，是由光疏介質進入光密介質，不管入射角多大，都不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項C正確，A錯誤；在界面Ⅱ光由玻璃進入空氣，是由光密介質進入光疏介質，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ進入玻璃后再達到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角總是小于臨界角，因此也不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項D也正確，B錯誤． 4．在水底的潛水員看來，水面上方的所有景物只出現(xiàn)在頂角為97°的倒立圓錐里，這是因為(　　) A．水面上遠處的景物反射的陽光都因為全反射而不能進入水中 B．水面上遠處的景物反射的陽光折射進入水中，其折射角不可能大于48

16、.5° C．水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因為全反射的原因不可能進入水中 D．水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因為折射的原因不可能進入潛水員的眼中 答案　B 解析　水面上方的所有景物只出現(xiàn)在頂角為97°的倒立圓錐里，這是由于水的臨界角為48.5°，光由空中射入水中時，最大折射角為48.5°，不能發(fā)生全反射；當光由水中射向空中時有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象，故B正確，A、C、D錯． 5.空氣中兩條光線a和b從方框左側入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖2所示．方框內有兩個折射率n＝1.5的玻璃全反射棱鏡．下列選項中給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖．其中能產生如圖所示效果

17、的是(　　) 圖2 答案　B 解析　四個選項產生光路效果如下圖： 由圖可知B項正確． 6．以下說法中正確的是(　　) A．激光是一種人工產生的相干光，具有高度的相干性 B．由于激光的方向性好，所以激光不能發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．光纖通信是激光和光導纖維相結合的產物 D．普通照相技術所記錄只是光波的強弱信息，而全息照相技術還可以記錄光波的相位信息 答案　ACD 7．(2014·新課標Ⅰ·34(2))一個半圓柱形玻璃磚，其橫截面是半徑為R的半圓，AB為半圓的直徑，O為圓心，如圖3所示，玻璃的折射率為n＝. 圖3 (ⅰ)一束平行光垂直射向玻璃磚的下表面，若光線到達

18、上表面后，都能從該表面射出，則入射光束在AB上的最大寬度為多少？ (ⅱ)一細束光線在O點左側與O相距R處垂直于AB從下方入射，求此光線從玻璃磚射出點的位置． 答案　見解析 解析　(ⅰ)在O點左側，設從E點射入的光線進入玻璃磚后在上表面的入射角恰好等于全反射的臨界角θ，則OE區(qū)域的入射光線經上表面折射后都能從玻璃磚射出，如圖．由全反射條件有sin θ＝① 由幾何關系有OE＝Rsin θ② 由對稱性可知，若光線都能從上表面射出，光束的寬度最大為l＝2OE③ 聯(lián)立①②③式，代入已知數(shù)據(jù)得 l＝R④ (ⅱ)設光線在距O點R的C點射入后，在上表面的入射角為α，由幾何關系及①式和已知條件得

19、 α＝60°>θ⑤ 光線在玻璃磚內會發(fā)生三次全反射，最后由G點射出，如圖，由反射定律和幾何關系得 OG＝OC＝R⑥ 射到G點的光有一部分被反射，沿原路返回到達C點射出． [能力題] 8．在戰(zhàn)爭爆發(fā)時，某方欲用激光器擊毀位于地平線上方的敵方空間站，則應將激光器(　　) A．瞄高些 B．瞄低些 C．沿視線直接瞄準 D．若激光束是紅色，而空間站是藍色的，則應瞄高些 答案　C 解析　空間站反射太陽的光射向地球，通過地球大氣層要發(fā)生折射，而激光器發(fā)出的光通過大氣層射向空間站也要發(fā)生折射，根據(jù)光路可逆，兩者的光路相同．因此，A、B錯，C對．D選項中空間站是藍色的，反射光也是藍色的，

20、比紅色激光束的折射率大，由折射定律知應瞄低些方能射中，故D錯． 9．某同學用大頭針、三角板、量角器等器材測半圓形玻璃磚的折射率．開始玻璃磚的位置如圖4中實線所示，使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上，該直線垂直于玻璃磚的直徑邊，然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉動，同時在玻璃磚的直徑邊一側觀察P1、P2的像，且P2的像擋住P1的像．如此觀察，當玻璃磚轉到圖中虛線位置時，上述現(xiàn)象恰好消失．此時只須測量出____________，即可計算出玻璃磚的折射率．請用你的測量量表示出折射率n＝________. 圖4 答案　玻璃磚直徑邊繞O點轉過的角度θ　 解析　若半圓形玻璃磚轉過θ角時在半圓形玻璃

21、磚直徑一側恰好看不到P1、P2的像，那么此時恰好發(fā)生了全反射．如圖所示，過P1、P2的光線在玻璃磚內的入射角為θ，在空氣中折射角為90°，根據(jù)折射定律得n＝＝，只要測出θ，就可求出玻璃磚的折射率． 10．如圖5所示，abc是一塊用折射率n＝2的玻璃制成的透明體的橫截面，ab是半徑為R的圓弧，ac邊與bc邊垂直，∠aOc＝60°.當一束平行黃色光垂直照到ac上時，ab的外表面只有一部分是亮的，其余是暗的．求發(fā)亮部分的弧長是多少？ 圖5 答案　πR 解析　假定光線MN射到ab界面上時恰好發(fā)生了全反射，則MN上方的光線一定在界面ab上發(fā)生了全反射，因此只有射到界面Nb上的光線才能射出玻璃

22、，界面Nb部分是亮的．由sin C＝，得∠C＝30°. 由幾何關系知θ＝30°，所以弧Nb的長度：s＝×2πR＝πR. 11．一足夠深的水池內盛有某種透明液體，液體的深度為H，在水池的底部中央放一點光源，其中一條光線以30°入射角射到液體與空氣的界面上，它的反射光線與折射光線的夾角為105°，如圖6所示．求： 圖6 (1)這種液體的折射率； (2)液體表面亮斑的面積． 答案　(1)　(2)πH2 解析　(1)由于反射光線與折射光線的夾角為105°，入射角i＝30°，則折射角r＝45°；n＝＝. (2)sin C＝＝，C＝45° 所以亮斑的半徑R＝H，亮斑面積S＝πR2＝π

23、H2. 12.如圖7所示，一段橫截面為正方形的玻璃棒，中間部分彎成四分之一圓弧形狀，一細束單色光由MN端面的中點垂直射入，恰好能在弧面EF上發(fā)生全反射，然后垂直PQ端面射出． 圖7 (1)求該玻璃棒的折射率． (2)若將入射光向N端平移，當?shù)谝淮紊涞交∶鍱F上時________(填“能”“不能”或“無法確定能否”)發(fā)生全反射． 答案　(1)　(2)能 解析　(1)如圖所示，單色光照射到EF弧面上時恰好發(fā)生全反射，由全反射的條件可知C＝45°① 由折射定律得n＝② 聯(lián)立①②式解得n＝ (2)當入射光向N端移動時，光線在EF面上的入射角將增大，所以能發(fā)生全反射． [探究與拓

24、展題] 13．一賽艇停在平靜的水面上，賽艇前端有一標記P離水面的高度為h1＝0.6 m，尾部下端Q略高于水面；賽艇正前方離賽艇前端s1＝0.8 m處有一浮標，示意圖如圖8所示．一潛水員在浮標前方s2＝3.0 m處下潛到深度為h2＝4.0 m時，看到標記P剛好被浮標擋住，此處看不到船尾端Q；繼續(xù)下潛Δh＝4.0 m，恰好能看見Q.求： 圖8 (1)水的折射率n； (2)賽艇的長度l.(可用根式表示) 答案　(1)　(2) m 解析　根據(jù)題意畫出如圖所示的示意圖． (1)根據(jù)幾何知識，知sin i＝＝0.8 sin r＝＝0.6 根據(jù)折射定律得折射率n＝＝ (2)潛水員恰好能看見Q時，有 sin C＝＝ 又sin C＝ 代入數(shù)據(jù)得l＝ m 12