資源簡介

(共33張PPT)
第一章 動量守恒定律
4.2 全反射
人教版（2019）高中物理選擇性必修第一冊
新課導入
1
新課講解
3
學習目標
2
經典例題
4
課堂練習
5
本課小結
6
目錄
水中的氣泡和葉子上的露珠看起來特別明亮；炎熱夏天，柏油路面有時看起來特別明亮,像水洗過的一樣。這又是為什么呢？
課堂導入
學習目標
1. 知道光密介質和光疏介質的概念，認識光的全反射現象。
2. 知道全反射棱鏡及其應用。
3. 初步了解光導纖維原理及光纖技術對社會經濟生活的重大影響。
一、光疏介質和光密介質
1.光疏介質：折射率較小的介質（光在光疏介質中傳播速度相對較大）。
2.光密介質：折射率較大的介質（光在光密介質中傳播速度相對較?。?。
特別提醒：
光疏和光密是從介質的光學特性來說的,并不是它的密度大小。如,酒精的密度比水小,但酒精和水相比,酒精是光密介質。
3.光疏介質與光密介質是相對的
任何兩種透明介質都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質或光密介質。如，水、水晶和金剛石三種物質相比較，水晶對水來說是光密介質，對金剛石來說則是光疏介質。
4.光在光密介質中的傳播速度比在光疏介質中的小n=。
一、光疏介質和光密介質
5.折射角與入射角：光由光疏介質射入光密介質，折射角小于入射角。光由光密介質射入光疏介質，折射角大于入射角。
思考：光由光密介質進入光疏介質時，如果入射角不斷增大，使折射角增大到90 時，會出現什么現象？
一、光疏介質和光密介質
O
空氣
水
光疏介質
光密介質
O
光疏介質
光密介質
空氣
水
實驗觀察
實驗觀察
現象：隨著入射角的逐漸增大的過程中，折射角逐漸增大 ；折射光線亮度逐漸減弱；反射角逐漸增大；反射光線亮度逐漸增強；當入射角增大到某一角度時，折射光線消失，所有光線全部反射。
全反射：當光從光密介質射入光疏介質時，入射角逐漸增大到某一角度，光線全部被反射回原光密介質的現象。
臨界角：當光從光密介質射入光疏介質時，折射角等于900角時的入射角叫做臨界角。用C表示。
玻璃
空氣
二、全反射
發生全反射的條件
（1）光從光密介質射入光疏介質；
（2）入射角等于或大于臨界角；
臨界角C 的大小由折射率可得：
臨界角的正弦值：
玻璃
空氣
二、全反射
二、全反射
由于不同介質的折射率不同，在光從介質射入空氣（真空）時，發生全反射的臨界角是不一樣的。怎樣計算光從折射率為 n 的某種介質射入空氣（真空）發生全反射時的臨界角 C ？
思考與拓展
計算時可以先考慮圖的情形——光以接近 90°的入射角從空氣射入介質，求出這時的折射角。根據光路可逆的道理，也就知道光從介質射入空氣時發生全反射的臨界角了。
介質 水 玻璃 金剛石
折射率n 1.33 1.5~1.9 n＝2.42
臨界角C 48.8 ° 32 °~ 42 ° 24.4 °
不同介質的臨界角
二、全反射
全反射棱鏡：玻璃棱鏡的截面為等腰直角三角形，當光從圖中所示的方向射入玻璃時，由于光的方向與玻璃面垂直，光線不發生偏折。但在玻璃內部，光射向玻璃與空氣的界面時，入射角大于臨界角，發生全反射。
與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎可達 100%。這種棱鏡在光學儀器中可用來改變光的方向。
三、全反射棱鏡
當光線由AB面垂直入射時：
橫截面是等腰直角三角形的棱鏡
當光線由AC面垂直入射時：
在AC面發生全反射，垂直由BC面出射．
在AB、 BC面發生兩次全反射，垂直由AC面出射．
變化90 °
變化180 °
A
B
C
C
B
A
三、全反射棱鏡
全反射棱鏡的應用
雙筒望遠鏡中的全反射棱鏡
三、全反射棱鏡
全反射棱鏡的應用
三、全反射棱鏡
自行車尾燈
四、光導纖維
1966 年，33 歲的華裔科學家高錕提出：光通過直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來傳輸大量信息。高錕因此獲得 2009 年諾貝爾物理學獎。根據這一理論制造的光導纖維（optical fiber）已經普遍應用到通信領域。這其中就用到了全反射原理。
高錕（1933-2018）
如圖,激光筆發出的光射入一根彎曲的有機玻璃棒的一端，觀察光傳播的路徑有什么特點。
四、光導纖維
當光在有機玻璃棒內傳播時，如果從有機玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光會發生全反射，于是光在有機玻璃棒內沿著鋸齒形路線傳播。這就是光導纖維導光的原理。
實用光導纖維的直徑只有幾微米到一百微米。因為很細，一定程度上可以彎折。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生全反射。
四、光導纖維
原理：利用全反射原理
結構：
四、光導纖維
如果把光導纖維聚集成束，使纖維在兩端排列的相對位置一樣，圖像就可以從一端傳到另一端（圖 1）。 醫學上用這種光纖制成內窺鏡（圖 2）用來檢查人體胃、腸、氣管等臟器的內部。 實際的內窺鏡裝有兩組光纖，一組把光傳送到人體內部進行照明，另一組把體內的圖像傳出供醫生觀察。
圖2
圖1
典例分析
例：在潛水員看來，岸上的所有景物都出現在一個倒立的圓錐里，為什么？這個圓錐的頂角是多大？
分析：如圖，岸上所有景物發出的光，射向水面時入射角分布在0°到90°之間，射入水中后的折射角都在0°至臨界角C之間。
典例分析
例：在潛水員看來，岸上的所有景物都出現在一個倒立的圓錐里，為什么？這個圓錐的頂角是多大？
由公式sin C ＝ 水的折射率n ＝ 1.33，可求得臨界角：
C ＝ arc sin 48.8°
設圓錐的頂角為α，則有
α ＝ 2C ＝ 97.6°
即圓錐的頂角為97.6°
解：幾乎貼著水面射入水里的光線，在潛水員看來是從折射角為C 的方向射來的，水面上其他方向射來的光線，折射角都小于C。因此他認為水面以上所有的景物都出現在頂角為2C的圓錐里。
典例分析
【典例2】（多選）下列說法正確的是（　?。?br/>A．在水中的潛水員斜向上看岸邊的物體時，看到的物體的像比物體所處的實際位置高
B．光纖通信是一種現代通信手段，它是利用光的全反射原理來傳遞信息的
C．在光的照射下，玻璃杯裂縫處看上去比周圍明顯亮，是由于光的全反射
D．海市蜃樓產生的原因是海面上方上層空氣的折射率比下層空氣的折射率大
【正確答案】ABC
典例分析
【典例3】一束由a、b兩種單色光組成的復色光從水中射入空氣中，并分成a、b兩束，下列關于a、b兩束單色光的說法正確的是（　?。?br/>A．若水中入射光SA的入射角不斷增大，則a光先發生全反射
B．a光的折射率比b光的折射大
C．在真空中a光的速度比b光大
D．在水中a光的傳播速度比b光的大
【正確答案】D
典例分析
【典例4】如圖所示，MN是空氣與某種液體的分界面，一束紅光由空氣射到分界面，一部分光被折射，一部分光進入液體中。當入射角是450時，折射角為300，求：
（1）該液體對紅光的折射率n；
（2）該液體對紅光的全反射臨界角C。
典例分析
課堂練習
1.如圖所示，置于空氣中的厚玻璃板，AB、CD分別是玻璃板的上、下表面，且AB∥CD。光線經AB表面射向玻璃磚，折射光線射到CD表面時，下列說法正確的是（　?。?br/>A.不可能發生全反射
B.有可能發生全反射
C.只要入射角i足夠大就能發生全反射
D.不知玻璃折射率，無法判斷
解析：由圖知，入射光線在AB面上的折射角一定小于臨界角，由于AB∥CD，折射光線射到CD表面時入射角與AB面上的折射角相等，所以入射角一定小于臨界角，所以折射光線射到CD表面時一定不會發生全反射。A正確。
A
課堂練習
2.［多選］如圖所示為一直角棱鏡的橫截面，∠bac=90°，
∠abc=60°。一平行細光束從O點沿垂直于bc面的方向射入棱
鏡。已知棱鏡材料的折射率n= ，若不考慮入射光線在bc面上
的反射光，則有光線（　?。?br/>A.從ab面射出 B.從ac面射出
C.從bc面射出，且與bc面斜交 D.從bc面射出，且與bc面垂直
解析：A錯：由 得 ，得全反射臨界角 。
射到ab面的光線，入射角等于60°，發生全反射，則ab面上
沒有光射出。
B、D對，C錯：ab面上的反射光射到ac面上時入射角為30°，不發生全反射，ac面上既有折射光射出，又有反射光，由幾何圖形知，反射光射到bc面上時的入射角為0°，有光線從bc面射出。
BD
課堂練習
3.如圖 所示，玻璃磚的截面為直角三角形AOB，∠B=30°，直角邊AO長度為d。一單色光自距離A點 處的D點垂直AO邊射入該玻璃磚，第一次到達AB邊時恰好發生全反射。已知光在真空中傳播的速度為c，求：
（1）此玻璃磚的折射率；
（2）此光線第一次自BO邊射出時折射角的正弦值；
（3）此光線在該玻璃磚中傳播的時間。
解析：（1）光路如圖所示，由幾何知識，在AB邊上的入射角∠C=60° 。
又sin C= 。
得此玻璃磚的折射率：n= 。
（2）由幾何知識，在BO邊上的入射角∠α=30°，由n=
得此光線第一次自BO邊射出時的折射角的正弦值sin β= 。
（3）由幾何知識知此光線在玻璃磚中傳播的路程x= d
又n= ，t= ，得傳播時間：t= 。
課堂練習
4.如圖所示，一根長為L的直光導纖維，它的折射率為n。
光從它的一個端面射入，從另一個端面射出需要的最長時
間為多少？（設光在真空中的傳播速度為c）
解析：要使光在光導纖維中傳播的時間最長，就必須使光線的路徑最長，即每次反射的入射角都等于臨界角，設光導纖維的臨界角為C。
sin C=
光在光導纖維中傳播的路程d= =nL
光在光導纖維中傳播的速度v=
則所需最長時間t= = 。
課堂小結
1.光疏介質：折射率較小的介質
2.光密介質：折射率較大的介質
3.全反射： 光由光密介質射入光疏介質時，同時發生反射和折射，折射角大于入射角，隨著入射角的增大，反射光線越來越強，折射光線越來越弱，當折射角增大到90°時，折射光線完全消失，只剩下反射光線，這種現象叫做全反射。
4.臨界角（C）：折射角等于90°時的入射角
5.發生全反射的條件：
（1）光由光密介質射入光疏介質；
（2）入射角等于或大于臨界角。
6.光從介質射入空氣（真空）的臨界角：n ＝ sinC ＝
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