2017年高中物理 第4章 光的波動(dòng)性 4.5 全反射與光導(dǎo)纖維 激光學(xué)案 滬科版選修3-4

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1、 5　全反射與光導(dǎo)纖維　激光 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]　1.認(rèn)識(shí)光的全反射現(xiàn)象，知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念.2.理解發(fā)生全反射的條件，能計(jì)算有關(guān)問題和解釋相關(guān)現(xiàn)象.3.知道全反射棱鏡及其應(yīng)用.4.了解光導(dǎo)纖維的工作原理及其在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.5.了解激光的特性和應(yīng)用，了解全息照相的原理． 1．光在兩種介質(zhì)的分界面發(fā)生反射時(shí)，反射角等于入射角，當(dāng)發(fā)生折射時(shí)，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(guān)系) 2．光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) 折射率較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)．光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對的． 3．全反射

2、現(xiàn)象 (1)臨界角：光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí)，折射角就會(huì)增大到90°，這時(shí)的入射角叫做臨界角． (2)全反射現(xiàn)象：當(dāng)光線由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，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(nèi)反射． 4．全反射的應(yīng)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(dǎo)纖維：由折射率較大的內(nèi)層纖芯和折射率較小的外面包層組成，光傳播時(shí)在內(nèi)層纖芯與外面包層的界面上發(fā)生全反射． 5．激光的特點(diǎn)及應(yīng)用 性質(zhì) 應(yīng)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(diǎn)，是人工產(chǎn)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(yuǎn)的距離后仍能保持一定的強(qiáng)度 激光會(huì)聚一點(diǎn)，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(shí)間內(nèi)聚集很大的能量 用激光束切割、焊接，醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”，核工業(yè)中用激光激發(fā)核反應(yīng)等 一、全反射 [問題設(shè)計(jì)] 光從空氣射入水中時(shí)，入射角大于折射角，由光路可逆知當(dāng)光從水中射入空氣時(shí)，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(dāng)i增大到90°的過程中會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ 圖1 答案　由＝n知當(dāng)i增大，r也會(huì)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(huì)消失． [要點(diǎn)提煉]

4、 1．光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) 　　名稱 項(xiàng)目 光疏介質(zhì) 光密介質(zhì) 定義 折射率較小的介質(zhì) 折射率較大的介質(zhì) 傳播速度 光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的傳播速度?。? 折射特點(diǎn) (1)光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角． (2)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角． 備注 (1)光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的，并不是它的密度大?。? (2)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)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(shí)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(zhì)射入光疏介質(zhì)． 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(guān)系 ①折射角隨著入射角的增大而增大，折射角增大的同時(shí)，折射光線的強(qiáng)度減弱，即折射光線的能量減小，亮度減弱，而反射光線的強(qiáng)度增強(qiáng)，能量增大，亮度增強(qiáng)． ②當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)(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(qiáng)度相同的光線，均由空氣射入玻璃磚，到達(dá)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(diǎn)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(huì)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(zhì)射向光疏介質(zhì)，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?yàn)樗娜肷浣亲畲?，所以選項(xiàng)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(xiàng)C對，B錯(cuò)．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(qiáng)，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(yīng)用 [問題設(shè)計(jì)] 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(shí)，從后面開來的汽車發(fā)出的強(qiáng)光照在尾燈后，會(huì)有較強(qiáng)的光被反射回去，使汽車司機(jī)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(diǎn)提煉] 1．全反射棱鏡 (1)構(gòu)造：截面為等腰直角三角形的棱鏡． (2)特點(diǎn)：①當(dāng)光垂直于它的一個(gè)界面射入后，會(huì)在其內(nèi)部發(fā)生全反射，比平面鏡的反射率高，幾乎可達(dá)100%；②反射面不必涂任何反光物質(zhì)，反射失真?。? 2．光導(dǎo)纖維 (1)原理：利用了光的全反射． (2)構(gòu)造：光導(dǎo)纖維由內(nèi)層纖芯和外面包層兩層組成．內(nèi)層纖芯的折射率比外面包層的大．光傳播時(shí)在內(nèi)層纖芯與外面包層的界面上發(fā)生全反射． (3)特點(diǎn)：容量大，能量損耗小、抗干擾能力強(qiáng)，保密性好等． 例2　光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播．以下關(guān)于光導(dǎo)纖維的說法正確的是(　　) 圖4

9、 A．內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射 B．內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射 C．內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生折射 D．內(nèi)芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護(hù)作用 解析　光導(dǎo)纖維很細(xì)，它由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)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(jì)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(dāng)P點(diǎn)光線射到木板邊緣時(shí)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(dǎo)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(diǎn)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(shí)，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(yīng)大于入射角，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)C錯(cuò)誤． ②當(dāng)光從空氣射入

11、玻璃磚時(shí)，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(xiàng)B、D錯(cuò)誤． 2．光從介質(zhì)a射向介質(zhì)b，如果要在a、b介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，那么必須滿足的條件是(　　) A．a(chǎn)是光密介質(zhì)，b是光疏介質(zhì) B．光在介質(zhì)a中的速度必須大于在介質(zhì)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(jī)、CD機(jī)或計(jì)算機(jī)的光盤上，就可以讀出盤上記錄的信息，經(jīng)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(huì)聚到很小的一點(diǎn)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(shí)間內(nèi)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(diǎn)之一是平行度好，它可以會(huì)聚到一個(gè)很小的點(diǎn)上，DVD、VCD、CD唱機(jī)或電腦上的光驅(qū)及刻錄設(shè)備就利用了激光的這一特點(diǎn)，選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤． [基礎(chǔ)題] 1．關(guān)于全反射，下列說法中正確的是(　　) A．發(fā)生全反射時(shí)，仍有折射光線，只是折射光線非常弱，因此可以認(rèn)為不存在折射光線而只有反射光線 B．光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，一定會(huì)發(fā)生全反射 C．光線從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，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?yàn)楣鈴乃虿Ａ湎驓馀輹r(shí)，在界面發(fā)生了全反射 答案　CD 解析　光從光

13、密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)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(cuò)誤，C正確；光從水或玻璃射向氣泡時(shí)，一部分光在界面發(fā)生了全反射，即反射光增強(qiáng)，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(zhì)射入光疏介質(zhì)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(zhì)射入光密介質(zhì)，都不可能發(fā)生全反射，故A、B、D錯(cuò)誤，從玻璃射入水中是從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，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(shè)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(dá)界面Ⅰ時(shí)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(jìn)入玻璃磚，是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，不管入射角多大，都不會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項(xiàng)C正確，A錯(cuò)誤；在界面Ⅱ光由玻璃進(jìn)入空氣，是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ進(jìn)入玻璃后再達(dá)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(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，選項(xiàng)D也正確，B錯(cuò)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?yàn)?　　) A．水面上遠(yuǎn)處的景物反射的陽光都因?yàn)槿瓷涠荒苓M(jìn)入水中 B．水面上遠(yuǎn)處的景物反射的陽光折射進(jìn)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?yàn)槿瓷涞脑虿豢赡苓M(jìn)入水中 D．水面上方倒立圓錐之外的景物反射的陽光都因?yàn)檎凵涞脑虿豢赡苓M(jìn)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(shí)，最大折射角為48.5°，不能發(fā)生全反射；當(dāng)光由水中射向空中時(shí)有可能發(fā)生全反射現(xiàn)象，故B正確，A、C、D錯(cuò)． 5.空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)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(nèi)有兩個(gè)折射率n＝1.5的玻璃全反射棱鏡．下列選項(xiàng)中給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖．其中能產(chǎn)生如圖所示效果

17、的是(　　) 圖2 答案　B 解析　四個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生光路效果如下圖： 由圖可知B項(xiàng)正確． 6．以下說法中正確的是(　　) A．激光是一種人工產(chǎn)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(dǎo)纖維相結(jié)合的產(chǎn)物 D．普通照相技術(shù)所記錄只是光波的強(qiáng)弱信息，而全息照相技術(shù)還可以記錄光波的相位信息 答案　ACD 7．(2014·新課標(biāo)Ⅰ·34(2))一個(gè)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(dá)

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(xì)束光線在O點(diǎn)左側(cè)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(diǎn)的位置． 答案　見解析 解析　(ⅰ)在O點(diǎn)左側(cè)，設(shè)從E點(diǎn)射入的光線進(jìn)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(jīng)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(guān)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(shè)光線在距O點(diǎn)R的C點(diǎn)射入后，在上表面的入射角為α，由幾何關(guān)系及①式和已知條件得

19、 α＝60°>θ⑤ 光線在玻璃磚內(nèi)會(huì)發(fā)生三次全反射，最后由G點(diǎn)射出，如圖，由反射定律和幾何關(guān)系得 OG＝OC＝R⑥ 射到G點(diǎn)的光有一部分被反射，沿原路返回到達(dá)C點(diǎn)射出． [能力題] 8．在戰(zhàn)爭爆發(fā)時(shí)，某方欲用激光器擊毀位于地平線上方的敵方空間站，則應(yīng)將激光器(　　) A．瞄高些 B．瞄低些 C．沿視線直接瞄準(zhǔn) D．若激光束是紅色，而空間站是藍(lán)色的，則應(yīng)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(cuò)，C對．D選項(xiàng)中空間站是藍(lán)色的，反射光也是藍(lán)色的，

20、比紅色激光束的折射率大，由折射定律知應(yīng)瞄低些方能射中，故D錯(cuò)． 9．某同學(xué)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(shí)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(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在玻璃磚的直徑邊一側(cè)觀察P1、P2的像，且P2的像擋住P1的像．如此觀察，當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)到圖中虛線位置時(shí)，上述現(xiàn)象恰好消失．此時(shí)只須測量出____________，即可計(jì)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(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度θ　 解析　若半圓形玻璃磚轉(zhuǎn)過θ角時(shí)在半圓形玻璃

21、磚直徑一側(cè)恰好看不到P1、P2的像，那么此時(shí)恰好發(fā)生了全反射．如圖所示，過P1、P2的光線在玻璃磚內(nèi)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(dāng)一束平行黃色光垂直照到ac上時(shí)，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(shí)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(guān)系知θ＝30°，所以弧Nb的長度：s＝×2πR＝πR. 11．一足夠深的水池內(nèi)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(diǎn)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(xì)束單色光由MN端面的中點(diǎn)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(dāng)?shù)谝淮紊涞交∶鍱F上時(shí)________(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(shí)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(dāng)入射光向N端移動(dòng)時(shí)，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(biāo)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(biāo)，示意圖如圖8所示．一潛水員在浮標(biāo)前方s2＝3.0 m處下潛到深度為h2＝4.0 m時(shí)，看到標(biāo)記P剛好被浮標(biāo)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(shí)，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(shí)，有 sin C＝＝ 又sin C＝ 代入數(shù)據(jù)得l＝ m 12