高中物理第四章光的波动性4.6全反射与光导纤维4.7激光每课一练沪科版选修3-4

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同步备课套餐之物理沪科版选修3-4课件：第4章光的波动性 4.6~4.7

3.全反射的应用
(1)全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光路.
(2)光导纤维：由折射率较大的内层纤芯和折射率较小的外面包层组成，
光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射 .
4.激光的特点及应用性质应用光纤通信激光会聚一点，读取光盘上记录的信息等用激光束切割、焊接，医学上可以用激光做“光刀”，核工业中用激光激发核反应等
确的是
A.假若三条光线中有一条在O点发生了全反射， √ 那一定是aO光线能发生全反射能发生全反射 D.假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO的反 √ 射光线比光线cO的反射光线的亮度大
解析答案
B.假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定 C.假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定 √
图2
ct s
图5
解析
答案
课堂要点小结
光疏介质和光密介质全反射现象：入射光从反射面全部反射回原介质的现象光由光密介质射向光疏介质全反射发生的条件入射角大于或等于临界角 1 1.全反射与临界角：折射角为90° 时的入射角，sin C＝n 光导纤维全反射棱镜原理：光的全反射全反射的应用光纤及其应用内窥镜光纤通信
例2
光导纤维的结构如图4所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传
播.以下关于光导纤维的说法正确的是
√
A.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图4 内芯与外套的界面上发生全反射 C.内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生折射 D.内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用

高中物理第4章光的波动性6全反射与光导纤维7激光课件沪科版选修3

(2)全反射棱镜横截面成等腰直角三角形的三棱镜.在玻璃内部，光射向玻璃与空气界面时，入射角大于临界角，发生全反射.与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达 100%，由于反射面不涂敷任何反光物质，所以反射失真小.选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转 90°或 180°，如图甲、乙所示.
[解析] (1)如图，从底面上 A 处射入的光线，在
球面上发生折射时的入射角为 i，当 i 等于全反射
临界角 iC 时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离为 l.
i＝iC
①
设 n 是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有
nsiniC＝1
②
由几何关系有
sini＝Rl
③
联立①②③式并利用题给条件，得
对激光特性的进一步认识 1.激光的特性 (1)激光束中的所有光子都是相互关联的.它们频率一致，相位一致（即振动步调一致）、偏振方向一致、传播方向一致. (2)激光的单色性好、相干性好.由于激光束中各光子的频率相同，因此激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的.
(3)激光的方向性强.由于激光束中各光子的传播方向一致，因此激光的平行度非常好.即使传播很远的距离，激光束的扩散程度也很小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距.现在利用激光测量地月距离精确度已达到 1m.也可以利用这一特点进行激光瞄准. (4)激光的亮度非常高.它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温.不能用激光直接照射眼睛，否则会伤害眼睛.
2.激光的应用举例与对应的特性 (1)激光雷达：对准目标发出一个极短的激光脉冲，测量发射脉冲和收到回波的时间间隔，结合发射的方向，就可探知目标的方位和距离，结合多普勒效应，还可以求出目标的运动速度.(利用激光的平行度好). (2)读盘：激光的平行度很好，可以会聚到很小的一点，让会聚点照射 VCD 碟片、CD 碟片、计算机的光盘上，就可读出光盘上记录的信息.(利用激光的平行度好). (3)医用激光刀：可以用于医疗的某些手术上，具有手术时间短、损伤小、不会引起细菌感染、止血快等优点.(利用激光的亮度高)

2019版高中物理第4章光的波动性4.6全反射与光导纤维4.7激光学案沪科版选修3_4

4.6 全反射与光导纤维4.7 激光[学习目标]1.认识光的全反射现象，知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.2.理解发生全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.3.知道全反射棱镜及其应用.4.了解光导纤维的工作原理及其在生产、生活中的应用.5.了解激光的特性和应用，了解全息照相的原理．1．光疏介质和光密介质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．全反射现象(1)临界角：光由光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°，这时的入射角叫做临界角．(2)全反射现象：当光线由光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于临界角，就发生全反射现象，也叫做全内反射．3．全反射的应用(1)全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光路．(2)光导纤维：由折射率较大的内层纤芯和折射率较小的外面包层组成，光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射．4．激光的特点及应用一、全反射 [导学探究]光从空气射入水中时，入射角大于折射角，由光路可逆知当光从水中射入空气时，折射角大于入射角(如图1所示)．若入射角i 逐渐增大，折射角r 如何变化？猜想一下当i 增大到90°的过程中会出现什么现象？图1答案由sin rsin i ＝n 知当i 增大，r 也会增大，随着i 的增大，r 先增大到90°，若i 再增大，则折射光线会消失． [知识深化]1．光疏介质和光密介质2.全反射现象(1)临界角：折射角为90°时的入射角称为全反射临界角，简称临界角，用C 表示，C ＝arcsin 1n.(2)全反射发生的条件①光从光密介质射至光疏介质． ②入射角大于或等于临界角． (3)全反射现象中能量分配关系①折射角随着入射角的增大而增大，折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光线的强度增强，能量增大，亮度增强．②当入射角增大到某一角度时(即临界角)，折射光能量减弱到零(即折射角为90°)，入射光的能量全部反射回来，这就是全反射现象．例1(多选)如图2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( )图2A．假若三条光线中有一条在O点发生了全反射，那一定是aO光线B.假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射C．假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射D．假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大答案ACD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aO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aO光线，因为它的入射角最大，所以选项A对．假若光线bO能发生全反射，说明它的入射角等于或大于临界角，光线aO的入射角更大，所以，光线aO一定能发生全反射，光线cO的入射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此，cO光线不一定能发生全反射．所以选项C对，B错．假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO和光线cO都不能发生全反射，但bO光线的入射角更接近于临界角，所以，光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强，即光线bO的反射光线亮度较大，所以D对，本题答案选A、C、D.二、全反射现象的应用[导学探究] 如图3所示，自行车后有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．那么自行车的尾灯采用了什么原理？图3答案采用了全反射的原理．[知识深化]1．全反射棱镜(1)构造：截面为等腰直角三角形的棱镜．(2)特点：①当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射，比平面镜的反射率高，几乎可达100%；②反射面不必涂任何反光物质，反射失真小． 2．光导纤维(1)原理：利用了光的全反射．(2)构造：光导纤维由内层纤芯和外面包层两层组成．内层纤芯的折射率比外面包层的大．光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射．(3)特点：容量大，能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等．例2 光导纤维的结构如图4所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．以下关于光导纤维的说法正确的是( )图4A ．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B ．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射C ．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生折射D ．内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用答案 A解析光导纤维很细，它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．三、全反射的定量计算例3 一厚度为h 的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r 的圆形发光面．在玻璃板上表面放置一半径为R 的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上．已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求平板玻璃的折射率．答案1＋⎝⎛⎭⎪⎫h R －r 2解析如图，考虑从圆形发光面边缘的A 点发出的一条光线，假设它斜射到玻璃上表面的A ′点折射，根据折射定律有n sin θ＝sin α式中，n 是玻璃的折射率，θ是入射角，α是折射角．现假设A ′恰好在纸片边缘：由题意，在A ′点刚好发生全反射，故sin θ＝sin C ＝1n设AA ′线段在玻璃上表面的投影长为L ，由几何关系有sin θ＝L L 2＋h 2由题意，纸片的半径应为R ＝L ＋r 联立以上各式得n ＝1＋⎝⎛⎭⎪⎫h R －r 21．全反射与光导纤维⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧光疏介质和光密介质全反射现象：入射光从反射面全部反射回原介质的现象全反射发生的条件⎩⎪⎨⎪⎧ 光由光密介质射向光疏介质入射角大于或等于临界角临界角：折射角为90°时的入射角，sin C ＝1n全反射的应用⎩⎨⎧全反射棱镜光纤及其应用⎩⎪⎨⎪⎧ 原理：光的全反射内窥镜光纤通信2．激光⎩⎪⎨⎪⎧特性⎩⎪⎨⎪⎧单色性好、相干性好平行度好亮度高应用⎩⎪⎨⎪⎧光纤通信、测距、切割、焊接全息照相1．如图，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O 点为该玻璃砖截面的圆心，下图能正确描述其光路的是( )答案 A解析①光从玻璃砖射向空气时，如果入射角大于临界角，则发生全反射；如果入射角小于临界角，则在界面处既有反射光线，又有折射光线，但折射角应大于入射角，选项A正确，选项C错误．②当光从空气射入玻璃砖时，在界面处既有反射光线，又有折射光线，且入射角大于折射角，选项B、D错误．2．(多选)光从介质a射向介质b，如果要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是( )A．a是光密介质，b是光疏介质B．光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度C．光的入射角必须大于或等于临界角D．光的入射角必须小于临界角答案AC3．让激光照到CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像，这是利用光的( )A．平行度好，可以会聚到很小的一点上B．相干性好，可以很容易形成干涉图样C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量D．波长短，很容易发生明显的衍射现象答案 A解析激光的特点之一是平行度好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．一、选择题1．(多选)关于全反射，下列说法中正确的是( )A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B．光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射C．光线从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射D ．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射答案 CD解析光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度后，折射光线完全消失，只剩下反射光线的现象叫全反射，故A 、B 错误，C 正确；光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面发生了全反射，即反射光增强，透射光减弱，使气泡看起来特别亮，D 正确． 2．光线从折射率为2的介质中射向空气，如果入射角为60°，下图所示光路正确的是( )答案 C解析根据sin C ＝1n可求出临界角为45°，由于入射角大于临界角，则必定发生全反射，因此只有反射光线而无折射光线．3．(多选)如图1所示，ABCD 是平面平行的透明玻璃砖，AB 面和CD 面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则( )图1A ．只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象B ．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象C ．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象D ．不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象答案 CD解析在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不会发生全反射现象，选项C 正确，A 错误；在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D也正确，B错误．4．在水底的潜水员看来，水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是因为( )A．水面上远处的景物反射的阳光都因为全反射而不能进入水中B．水面上远处的景物反射的阳光折射进入水中，其折射角不可能大于48.5°C．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为全反射的原因不可能进入水中D．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为折射的原因不可能进入潜水员的眼中答案 B解析水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是由于水的临界角为48.5°，光由空中射入水中时，最大折射角为48.5°，不能发生全反射；当光由水中射向空中时有可能发生全反射现象，故B正确，A、C、D错．5．如图2是在高山湖泊边拍摄的一张风景照片，湖水清澈见底，近处湖面水下的景物(石块、砂砾等)都看得很清楚，而远处则只看到对岸山峰和天空彩虹的倒影，水面下的景物则根本看不到．下列说法中正确的是( )图2A．远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了全反射B．光线由水射入空气，光的波速变大，波长变小C．远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，可能发生了全反射，所以看不见D．近处水面下景物的光线射到水面处，入射角较小，反射光强而折射光弱，因此有较多的能量射出水面而进入人眼睛中答案 C解析远处山峰的倒影非常清晰，是因为山峰的光线在水面上发生了反射，但不是全反射，因为全反射只有光从光密介质射入光疏介质时才可能发生，故A错误；光线由水射入空气，光的波速变大，频率不变，由波速公式v＝λf知波长变大，故B错误；远处水面下景物的光线射到水面处，入射角很大，当入射角大于等于全反射临界角时能发生全反射，光线不能射出水面，因而看不见，故C正确；近处水面下景物的光线射到水面处，入射角越小，反射光越弱而折射光越强，射出水面而进入人眼睛中能量越多，故D错误．6．(多选)以下说法中正确的是( )A．激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性B ．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象C ．光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物D ．普通照相技术所记录只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息答案 ACD7．在战争爆发时，某方欲用激光器击毁位于地平线上方的敌方空间站，则应将激光器( ) A ．瞄高些 B ．瞄低些 C ．沿视线直接瞄准D ．若激光束是红色，而空间站是蓝色的，则应瞄高些答案 C解析空间站反射太阳的光射向地球，通过地球大气层要发生折射，而激光器发出的光通过大气层射向空间站也要发生折射，根据光路可逆，两者的光路相同．因此，A 、B 错，C 对．D 选项中空间站是蓝色的，反射光也是蓝色的，比红色激光束的折射率大，由折射定律知应瞄低些方能射中，故D 错．二、非选择题8．一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R 的半圆，AB 为半圆的直径，O 为圆心，如图3所示，玻璃的折射率为n ＝ 2.图3(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB 上的最大宽度为多少？ (2)一细束光线在O 点左侧与O 相距32R 处垂直于AB 从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置．答案见解析解析 (1)在O 点左侧，设从E 点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ，则OE 区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图．由全反射条件有sin θ＝1n①由几何关系有OE ＝R sin θ②由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为l ＝2OE ③联立①②③式，代入已知数据得l ＝2R ④(2)设光线在距O 点32R 的C 点射入后，在上表面的入射角为α，由几何关系及①式和已知条件得 α＝60°>θ⑤光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G 点射出，如图，由反射定律和几何关系得OG ＝OC ＝32R ⑥射到G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C 点射出．9．某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率．开始玻璃砖的位置如图4中实线所示，使大头针P 1、P 2与圆心O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察P 1、P 2的像，且P 2的像挡住P 1的像．如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失．此时只须测量出____________，即可计算出玻璃砖的折射率．请用你的测量量表示出折射率n ＝________.图4答案玻璃砖直径边绕O 点转过的角度θ1sin θ解析若半圆形玻璃砖转过θ角时在半圆形玻璃砖直径一侧恰好看不到P 1、P 2的像，那么此时恰好发生了全反射．如图所示，过P 1、P 2的光线在玻璃砖内的入射角为θ，在空气中折射角为90°，根据折射定律得n ＝sin90°sin θ＝1sin θ，只要测出θ，就可求出玻璃砖的折射率．10．如图5所示，abc 是一块用折射率n ＝2的玻璃制成的透明体的横截面，ab 是半径为R 的圆弧，ac 边与bc 边垂直，∠aOc ＝60°.当一束平行黄色光垂直照到ac 上时，ab 的外表面只有一部分是亮的，其余是暗的．求发亮部分的弧长是多少？图5答案 16πR 解析假定光线MN 射到ab 界面上时恰好发生了全反射，则MN 上方的光线一定在界面ab 上发生了全反射，因此只有射到界面Nb 上的光线才能射出玻璃，界面Nb 部分是亮的．由sin C ＝1n，得∠C ＝30°.由几何关系知θ＝30°，所以弧Nb 的长度：s ＝30°360°×2πR ＝16πR . 11．一足够深的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为H ，在水池的底部中央放一点光源，其中一条光线以30°入射角射到液体与空气的界面上，它的反射光线与折射光线的夹角为105°，如图6所示．求：图6(1)这种液体的折射率；(2)液体表面亮斑的面积．答案 (1) 2 (2)πH 2解析 (1)由于反射光线与折射光线的夹角为105°，入射角i ＝30°，则折射角r ＝45°；n ＝sin r sin i ＝ 2. (2)sin C ＝1n ＝22，C ＝45° 所以亮斑的半径R ＝H ，亮斑面积S ＝πR 2＝πH 2.12.如图7所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧形状，一细束单色光由MN 端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF 上发生全反射，然后垂直PQ 端面射出．图7(1)求该玻璃棒的折射率．(2)若将入射光向N 端平移，当第一次射到弧面EF 上时________(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射．答案 (1) 2 (2)能解析 (1)如图所示，单色光照射到EF 弧面上时恰好发生全反射，由全反射的条件可知C ＝45°①由折射定律得n ＝sin90°sin C② 联立①②式解得n ＝ 2(2)当入射光向N 端移动时，光线在EF 面上的入射角将增大，所以能发生全反射．13．如图8所示，折射率n ＝233的半圆形玻璃砖置于光屏MN 的上方，其平面AB 与MN 的距离h ＝10cm.一束单色光沿图示方向射向圆心O ，经玻璃砖后射到光屏上的O ′点．现使玻璃砖绕圆心O 点顺时针转动，光屏上的折射光线光点距O ′点的距离最远时，求：图8(1)此时玻璃砖转过的角度；(2)光屏上的折射光线光点距O ′点的最远距离．答案 (1)π3 (2)1033cm 解析 (1)如图，设玻璃砖转过α角时折射光线光点离O ′点最远，记此时光点位置为A ，此时光线在玻璃砖的平面上恰好发生全反射，临界角为C ，由折射定律有sin C ＝1n ＝32，可得全反射的临界角C ＝π3.由几何关系知，α＝C ＝π3，此时玻璃砖转过的角度为π3.(2)折射光线光点A 到O ′的距离为s AO ′＝htan α解得s AO ′＝1033cm。

高中物理第4章光的波动性 4.6 全反射与光导纤维 4.7 激光学业分层测评沪科版选修34

第4章 4.6 全反射与光导纤维4.7 激光(建议用时：45分钟)[学业达标]1.下列事例哪些应用了光的全反射现象( ) A.海市蜃楼B.用三棱镜观察太阳光谱C.某些光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°D.水中的鱼看起来比实际的要浅E.多面体钻石能够闪闪发光【解析】海市蜃楼和光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°是利用了光的全反射现象，故A 、C 项正确；用三棱镜观察太阳光谱和水中的鱼看起来比实际的要浅，都是光的折射现象，故B 、D 项错误.多面体钻石闪闪发光是因为全反射现象，E 正确.【答案】 ACE2.已知介质对某单色光的临界角为C ，则下列说法正确的是( ) A.该介质对单色光的折射率等于1sin CB.此单色光在该介质中的传播速度等于c sin C (c 是光在真空中的传播速度)C.此单色光在该介质中的传播波长是在真空中波长的sin C 倍D.此单色光在该介质中的频率是在真空中的1sin C倍E.此单色光从真空射向介质，入射角大于C 时一定发生全反射【解析】由临界角的计算式sin C ＝1n 得n ＝1sin C ，故选项A 正确；将n ＝cv 代入sin C＝1n 得sin C ＝vc，故v ＝c sin C ，故选项B 正确；设该单色光的频率为f ，在真空中的波长为λ0，在介质中的波长为λ，由波长、频率、波速的关系得c ＝λ0f ，v ＝λf ，由sin C ＝v c ＝λλ0得，λ＝λ0sin C ，故选项C 正确；该单色光由真空传入介质时，频率不发生变化，故选项D 错误；此单色光从真空射向介质不会发生全反射，E 错误.【答案】 ABC3.一束光从空气射向折射率为n ＝2的某种玻璃的表面，如图467所示，i 代表入射角，则( )图467A.当i＞45°时，会发生全反射现象B.无论入射角i是多大，折射角r都不会超过45°C.欲使折射角r＝30°，应以i＝45°的角入射D.当入射角i＝arctan2时，反射光线跟折射光线恰好互相垂直E.当光从玻璃射向空气时，一定会发生全反射【解析】由于光从光疏介质射向光密介质，所以不会发生全反射，A项错误，B正确；由折射定律计算可知C、D两项正确；光从玻璃射向空气，入射角大于临界角时才能发生全反射，E错误.【答案】BCD4.下列说法中正确的是( )A.因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质B.因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质C.同一束光，在光密介质中的传播速度较大D.同一束光，在光密介质中的传播速度较小E.光疏介质和光密介质相对于折射率来确定，与密度无关【解析】光在各种介质中的传播速度和介质相对真空的折射率都是不同的.两种介质相比较光在其中传播速度大，而折射率小的介质叫光疏介质；光在其中传播速度小，而折射率大的介质叫光密介质.光疏介质和光密介质与密度无关，A、C错误，B、D、E正确.【答案】BDE5.关于全反射，下列说法中正确的是( )A.发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B.光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C.光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象D.水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生全反射E.介质的临界角越小就越容易发生全反射【解析】全反射是当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于等于临界角时发生的现象，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质.介质的临界角越小越容易发生全反射，A、B错误，C、D、E正确.【答案】 CDE6.光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务.目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络.下列说法正确的是( )A.光纤通信利用光作为载体来传递信息B.光导纤维传递光信号是利用光沿直线传播的原理C.光导纤维传递光信号是利用光的色散原理D.目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝E.光在光纤内不断地发生全反射，中途不会侧漏【解析】光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝.故A 、D 、E 正确，B 、C 错误.【答案】 ADE7.如图468所示，一束光线从空气射入某介质，入射光线与反射光线夹角为90°，折射光线与入射光线延长线间夹角θ为15°，求：图468(1)该介质的折射率. (2)光在该介质中传播的速度. (3)当光从介质射入空气时的临界角.【解析】 (1)由反射定律可知α＝β，由于α＋β＝90°，故入射角α＝45°；由图可知r ＋θ＝α＝45°，由于θ＝15°，故折射角r ＝30°，所以该介质的折射率n ＝sin αsin r ＝sin 45°sin 30°＝ 2. (2)由折射率与速度的关系n ＝c v 得v ＝c n ＝3.0×1082m/s ＝2.12×108m/s.(3)光从介质射入空气时临界角的正弦值sin C ＝1n ＝12＝22，故临界角C ＝45°.【答案】 (1) 2 (2)2.12×108m/s (3)45°8.如图469所示，一玻璃球体的半径为R ，O 为球心，AB 为直径.来自B 点的光线BM 在M 点射出，出射光线平行于AB ，另一光线BN 恰好在N 点发生全反射.已知∠ABM ＝30°，求图469(1)玻璃的折射率. (2)球心O 到BN 的距离.【导学号：38910059】【解析】 (1)设光线BM 在M 点的入射角为i ，折射角为r ，由几何知识可知，i ＝30°，r ＝60°，根据折射定律得n ＝sin rsin i①代入数据得n ＝ 3. ②(2)光线BN 恰好在N 点发生全反射，则∠BNO 为临界角C sin C ＝1n③设球心到BN 的距离为d ，由几何知识可知d ＝R sin C④联立②③④式得d ＝33R . ⑤【答案】 (1) 3 (2)33R [能力提升]9.△OMN 为玻璃等腰三棱镜的横截面.a 、b 两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面MN ，在棱镜侧面OM 、ON 上反射和折射的情况如图4610所示.由此可知( )图4610A.棱镜内a 光的传播速度比b 光的小B.棱镜内a 光的传播速度比b 光的大C.a 光的频率比b 光的高D.a 光的波长比b 光的长E.a 光的临界角大于b 光的临界角【解析】由题图可知，a 、b 两单色光以相同的入射角分别射向OM 、ON 两界面，b 光发生全反射，而a 光发生折射，所以a 光的折射率小于b 光的折射率，因此a 光的波长比b 光的波长大，D 正确；又v ＝c n，则在棱镜内a 光的传播速度比b 光的大，B 正确.由图可知，a 光的临界角大于b 光的临界角，E 正确.【答案】 BDE10.如图4611所示，空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体，其内圆半径为r ，外圆半径为R ，R ＝2r .现有一束单色光垂直于水平端面A 射入透明柱体，只经过两次全反射就垂直于水平端面B 射出.设透明柱体的折射率为n ，光在透明柱体内传播的时间为t ，若真空中的光速为c ，则( )【导学号：38910060】图4611A.n 可能为 3B.n 可能为2C.t 可能为22rcD.t 可能为4.8r cE.t 可能为42r c【解析】根据题意可画出光路图如图所示，则两次全反射时的入射角均为45°，所以全反射的临界角C ≤45°，折射率n ≥1sin 45°＝2，A 、B 均正确；光在介质中的传播速度v ＝c n≤c2，所以传播时间t ＝x v≥42rc，C 、D 错误，E 正确.【答案】 ABE11.一束红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲，若这种激光器产生的光脉冲的持续时间为 1.0×10－11s ，波长为694.3 nm ，发射功率为1.0×1010W.求：(1)每列光脉冲的长度；(2)用这种激光照射皮肤色斑，每1 cm 2皮肤吸收的能量达到60 J 以后，色斑便逐渐消失，一个色斑的面积为50 mm 2，则它需要吸收多少列红宝石激光脉冲才能逐渐消失？【解析】 (1)光脉冲的持续时间即为发射一个光脉冲所需的时间.一列光脉冲的长度Δl ＝c ·Δt ＝3.0×108×1.0×10－11m ＝3.0×10－3m.(2)一列光脉冲所携带的能量ΔE ＝P ·Δt ＝1.0×1010×1.0×10－11J ＝0.1 J.清除面积为50 mm 2的色斑需要光脉冲数为n ＝E ·SΔE ＝60 J/cm 2×50×10－2cm20.1 J＝300(列).【答案】 (1)3.0×10－3m (2)300列12.如图4612所示为用某种透明材料制成的一块柱形棱镜的截面图，圆弧CD 为半径为R 的四分之一的圆周，圆心为O ，光线从AB 面上的某点入射，入射角θ1＝45°，它进入棱镜后恰好以临界角射在BC 面上的O 点.图4612(1)画出光线由AB 面进入棱镜且从CD 弧面射出的光路图； (2)求该棱镜的折射率n ；(3)求光线在该棱镜中传播的速度大小v (已知光在空气中的传播速度c ＝3.0×108m/s).【解析】 (1)光路图如图所示.(2)光线在BC 面上恰好发生全反射，入射角等于临界角C ，sin C ＝1n ，cos C ＝n 2－1n.光线在AB 界面上发生折射，折射角θ2＝90°－C ，由几何关系得sin θ2＝cos C ，由折射定律得n ＝sin θ1sin θ2，由以上几式联立解得n ＝62.(3)光速v ＝c n＝6×108m/s.6 2(3)6×108 m/s【答案】(1)见解析图(2)。

2017-2018学年同步备课套餐之物理沪科版选修3-4讲义：

4.6全反射与光导纤维4.7激光[学习目标]1.认识光的全反射现象，知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.2.理解发生全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.3.知道全反射棱镜及其应用.4.了解光导纤维的工作原理及其在生产、生活中的应用.5.了解激光的特性和应用，了解全息照相的原理．1．光疏介质和光密介质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．全反射现象(1)临界角：光由光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°，这时的入射角叫做临界角．(2)全反射现象：当光线由光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于临界角，就发生全反射现象，也叫做全内反射．3．全反射的应用(1)全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光路．(2)光导纤维：由折射率较大的内层纤芯和折射率较小的外面包层组成，光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射．4．激光的特点及应用一、全反射 [导学探究]光从空气射入水中时，入射角大于折射角，由光路可逆知当光从水中射入空气时，折射角大于入射角(如图1所示)．若入射角i 逐渐增大，折射角r 如何变化？猜想一下当i 增大到90°的过程中会出现什么现象？图1答案由sin rsin i ＝n 知当i 增大，r 也会增大，随着i 的增大，r 先增大到90°，若i 再增大，则折射光线会消失． [知识深化]1．光疏介质和光密介质2.全反射现象(1)临界角：折射角为90°时的入射角称为全反射临界角，简称临界角，用C 表示，C ＝arcsin 1n. (2)全反射发生的条件①光从光密介质射入光疏介质． ②入射角大于或等于临界角． (3)全反射现象中能量分配关系①折射角随着入射角的增大而增大，折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光线的强度增强，能量增大，亮度增强．②当入射角增大到某一角度时(即临界角)，折射光能量减弱到零(即折射角为90°)，入射光的能量全部反射回来，这就是全反射现象．例1(多选)如图2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()图2A．假若三条光线中有一条在O点发生了全反射，那一定是aO光线B. 假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射C．假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射D．假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大答案ACD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aO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aO光线，因为它的入射角最大，所以选项A对．假若光线bO能发生全反射，说明它的入射角等于或大于临界角，光线aO的入射角更大，所以，光线aO一定能发生全反射，光线cO的入射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此，cO光线不一定能发生全反射．所以选项C对，B错．假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO和光线cO都不能发生全反射，但bO光线的入射角更接近于临界角，所以，光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强，即光线bO的反射光线亮度较大，所以D对，本题答案选A、C、D.二、全反射现象的应用[导学探究]如图3所示，自行车后有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．那么自行车的尾灯采用了什么原理？图3答案采用了全反射的原理．[知识深化]1．全反射棱镜(1)构造：截面为等腰直角三角形的棱镜．(2)特点：①当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射，比平面镜的反射率高，几乎可达100%；②反射面不必涂任何反光物质，反射失真小． 2．光导纤维(1)原理：利用了光的全反射．(2)构造：光导纤维由内层纤芯和外面包层两层组成．内层纤芯的折射率比外面包层的大．光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射．(3)特点：容量大，能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等．例2 光导纤维的结构如图4所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．以下关于光导纤维的说法正确的是( )图4A ．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B ．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射C ．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生折射D ．内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用答案 A解析光导纤维很细，它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．三、全反射的定量计算例3 如图5所示，AB 为光导纤维，A 、B 之间距离为s ，使一光脉冲信号从光导纤维中间入射，射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射，由A 点传输到B 点所用时间为t ，求光导纤维所用材料的折射率n .(已知光在真空中的传播速度为c)图5答案cts解析设介质的折射率为n ，则有sin α＝sin C ＝1nn ＝c v ，t ＝s sin αv ＝sv sin α由以上三式解得t ＝s c n ·1n＝sn 2c ，所以n ＝ct s.1．全反射与光导纤维⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧光疏介质和光密介质全反射现象：入射光从反射面全部反射回原介质的现象全反射发生的条件⎩⎪⎨⎪⎧ 光由光密介质射向光疏介质入射角大于或等于临界角临界角：折射角为90°时的入射角，sin C ＝1n全反射的应用⎩⎪⎨⎪⎧全反射棱镜光纤及其应用⎩⎪⎨⎪⎧ 原理：光的全反射内窥镜光纤通信2．激光⎩⎪⎨⎪⎧特性⎩⎪⎨⎪⎧单色性好、相干性好平行度好亮度高应用⎩⎪⎨⎪⎧ 光纤通信、测距、切割、焊接全息照相1．如图，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O 点为该玻璃砖截面的圆心，下图能正确描述其光路的是()答案 A解析 ①光从玻璃砖射向空气时，如果入射角大于临界角，则发生全反射；如果入射角小于临界角，则在界面处既有反射光线，又有折射光线，但折射角应大于入射角，选项A正确，选项C错误．②当光从空气射入玻璃砖时，在界面处既有反射光线，又有折射光线，且入射角大于折射角，选项B、D错误．2．(多选)光从介质a射向介质b，如果要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是()A．a是光密介质，b是光疏介质B．光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度C．光的入射角必须大于或等于临界角D．光的入射角必须小于临界角答案AC3．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像，这是利用光的()A．平行度好，可以会聚到很小的一点上B．相干性好，可以很容易形成干涉图样C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量D．波长短，很容易发生明显的衍射现象答案 A解析激光的特点之一是平行度好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．课时作业一、选择题1．(多选)关于全反射，下列说法中正确的是()A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B．光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射C．光线从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射答案CD解析光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度后，折射光线完全消失，只剩下反射光线的现象叫全反射，故A、B错误，C正确；光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面发生了全反射，即反射光增强，透射光减弱，使气泡看起来特别亮，D 正确． 2．光线从折射率为2的介质中射向空气，如果入射角为60°，下图所示光路正确的是( )答案 C解析根据sin C ＝1n 可求出临界角为45°，由于入射角大于临界角，则必定发生全反射，因此只有反射光线而无折射光线．3．(多选)如图1所示，ABCD 是平面平行的透明玻璃砖，AB 面和CD 面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则( )图1A ．只要入射角足够大，光线在界面 Ⅰ 上可能发生全反射现象B ．只要入射角足够大，光线在界面 Ⅱ 上可能发生全反射现象C ．不管入射角多大，光线在界面 Ⅰ 上都不可能发生全反射现象D ．不管入射角多大，光线在界面 Ⅱ 上都不可能发生全反射现象答案 CD解析在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不会发生全反射现象，选项C 正确，A 错误；在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D 也正确，B 错误．4．在水底的潜水员看来，水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是因为( )A ．水面上远处的景物反射的阳光都因为全反射而不能进入水中B．水面上远处的景物反射的阳光折射进入水中，其折射角不可能大于48.5°C．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为全反射的原因不可能进入水中D．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为折射的原因不可能进入潜水员的眼中答案 B解析水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是由于水的临界角为48.5°，光由空中射入水中时，最大折射角为48.5°，不能发生全反射；当光由水中射向空中时有可能发生全反射现象，故B正确，A、C、D错．5.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2所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．下列选项中给出了两棱镜四种放置方式的示意图．其中能产生如图所示效果的是()图2答案 B解析四个选项产生光路效果如下图：由图可知B项正确．6．(多选)以下说法中正确的是()A．激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性B．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象C．光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物D．普通照相技术所记录只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息答案ACD7．在战争爆发时，某方欲用激光器击毁位于地平线上方的敌方空间站，则应将激光器() A．瞄高些B．瞄低些C．沿视线直接瞄准D ．若激光束是红色，而空间站是蓝色的，则应瞄高些答案 C解析空间站反射太阳的光射向地球，通过地球大气层要发生折射，而激光器发出的光通过大气层射向空间站也要发生折射，根据光路可逆，两者的光路相同．因此，A 、B 错，C 对．D 选项中空间站是蓝色的，反射光也是蓝色的，比红色激光束的折射率大，由折射定律知应瞄低些方能射中，故D 错．二、非选择题8．一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R 的半圆，AB 为半圆的直径，O 为圆心，如图3所示，玻璃的折射率为n ＝ 2.图3(ⅰ)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB 上的最大宽度为多少？ (ⅱ)一细束光线在O 点左侧与O 相距32R 处垂直于AB 从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置．答案见解析解析 (ⅰ)在O 点左侧，设从E 点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ，则OE 区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图．由全反射条件有sin θ＝1n① 由几何关系有OE ＝R sin θ② 由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为l ＝2OE③联立①②③式，代入已知数据得 l ＝2R④(ⅱ)设光线在距O 点32R 的C 点射入后，在上表面的入射角为α，由几何关系及①式和已知条件得 α＝60°>θ⑤光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G 点射出，如图，由反射定律和几何关系得 OG ＝OC ＝32R⑥射到G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C 点射出．9．某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率．开始玻璃砖的位置如图4中实线所示，使大头针P 1、P 2与圆心O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察P 1、P 2的像，且P 2的像挡住P 1的像．如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失．此时只须测量出____________，即可计算出玻璃砖的折射率．请用你的测量量表示出折射率n ＝________.图4答案玻璃砖直径边绕O 点转过的角度θ1sin θ解析若半圆形玻璃砖转过θ角时在半圆形玻璃砖直径一侧恰好看不到P 1、P 2的像，那么此时恰好发生了全反射．如图所示，过P 1、P 2的光线在玻璃砖内的入射角为θ，在空气中折射角为90°，根据折射定律得n ＝sin 90°sin θ＝1sin θ，只要测出θ，就可求出玻璃砖的折射率．10．如图5所示，abc 是一块用折射率n ＝2的玻璃制成的透明体的横截面，ab 是半径为R 的圆弧，ac 边与bc 边垂直，∠aOc ＝60°.当一束平行黄色光垂直照到ac 上时，ab 的外表面只有一部分是亮的，其余是暗的．求发亮部分的弧长是多少？图5答案 16πR解析假定光线MN 射到ab 界面上时恰好发生了全反射，则MN 上方的光线一定在界面ab 上发生了全反射，因此只有射到界面Nb 上的光线才能射出玻璃，界面Nb 部分是亮的．由sin C ＝1n，得∠C ＝30°.由几何关系知θ＝30°，所以弧Nb 的长度：s ＝30°360°×2πR ＝16πR .11．一足够深的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为H ，在水池的底部中央放一点光源，其中一条光线以30°入射角射到液体与空气的界面上，它的反射光线与折射光线的夹角为105°，如图6所示．求：图6(1)这种液体的折射率； (2)液体表面亮斑的面积．答案 (1)2 (2)πH 2解析 (1)由于反射光线与折射光线的夹角为105°，入射角i ＝30°，则折射角r ＝45°；n ＝sin rsin i ＝ 2.(2)sin C ＝1n ＝22，C ＝45°所以亮斑的半径R ＝H ，亮斑面积S ＝πR 2＝πH 2.12.如图7所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧形状，一细束单色光由MN 端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF 上发生全反射，然后垂直PQ 端面射出．图7(1)求该玻璃棒的折射率．(2)若将入射光向N 端平移，当第一次射到弧面EF 上时________(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射．答案 (1)2 (2)能解析 (1)如图所示，单色光照射到EF 弧面上时恰好发生全反射，由全反射的条件可知C ＝45°① 由折射定律得n ＝sin 90°sin C②联立①②式解得n ＝2(2)当入射光向N 端移动时，光线在EF 面上的入射角将增大，所以能发生全反射． 13．一赛艇停在平静的水面上，赛艇前端有一标记P 离水面的高度为h 1＝0.6 m ，尾部下端Q 略高于水面；赛艇正前方离赛艇前端s 1＝0.8 m 处有一浮标，示意图如图8所示．一潜水员在浮标前方s 2＝3.0 m 处下潜到深度为h 2＝4.0 m 时，看到标记P 刚好被浮标挡住，此处看不到船尾端Q ；继续下潜Δh ＝4.0 m ，恰好能看见Q .求：图8(1)水的折射率n ；(2)赛艇的长度l .(可用根式表示) 答案 (1)43(2)⎝⎛⎭⎫2477－3.8 m 解析根据题意画出如图所示的示意图．(1)根据几何知识，知sin i ＝s 1s 21＋h21＝0.8 sin r ＝s 2s 22＋h 22＝0.6根据折射定律得折射率n ＝sin i sin r ＝43 (2)潜水员恰好能看见Q 时，有 sin C ＝1n ＝34又sin C ＝s 1＋s 2＋l (s 1＋s 2＋l )2＋(h 2＋Δh )2代入数据得l ＝⎝⎛⎭⎫2477－3.8 m。

高中物理第4章光的波动性6全反射与光导纤维7激光随堂演练(含解析)沪科版选修3-4

全反射与光导纤维激光1。

激光具有相干性好、平行度好、亮度高等特点，在科学技术和日常生活中应用广泛。

下面关于激光的叙述正确的是（）A。

激光是纵波B。

频率相同的激光在不同介质中的波长相同C.两束频率不同的激光能产生干涉现象D.利用激光平行度好的特点可以测量月球到地球的距离解析：选D.电磁波是横波,A项错；光在不同介质中传播速度不同,波长也不同，B项错；相干光的条件是频率相同,C项错，D项对。

2.（多选)已知介质对某单色光的临界角为θ，则（）A。

该介质对此单色光的折射率等于错误!B。

此单色光在该介质中的传播速度等于光在真空中传播速度的sin θ倍C。

此单色光在该介质中的频率是在真空中频率的sin θ倍D。

此单色光在该介质中的波长是在真空中波长的sin θ倍解析：选ABD。

由临界角公式sin C＝错误!，得n＝错误!,所以A正确。

由n＝错误!知，v＝错误!，所以v＝c sin C，B正确.当光从空气进入介质时，频率不变，C错误.c＝λf,则波长与波速成正比，D正确.3。

如图所示，已知介质Ⅱ为空气，介质Ⅰ的折射率为错误!,则下列说法中正确的是( )A。

光线a、b都不能发生全反射B.光线a、b都能发生全反射C.光线a发生全反射，光线b不发生全反射D.光线a不发生全反射，光线b发生全反射解析：选C.根据发生全反射的条件，光从光密介质射到光疏介质中时。

介质Ⅰ对空气Ⅱ来说是光密介质，所以光线a可能发生全反射，光线在介质Ⅰ中的临界角为：sin C＝错误!＝错误!，C＝45°。

注意题图中光线a与界面的夹角为30°，而此时的入射角为60°〉45°，故光线a能发生全反射，正确选项为C.4。

如图，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，下图能正确描述其光路的是（）解析：选A。

光从玻璃砖射向空气时，如果入射角大于临界角，则发生全反射;如果入射角小于临界角,则在界面处既有反射光线,又有折射光线，但折射角应大于入射角，选项A正确，选项C错误。

高中物理第四章光的波动性单元练习(含解析)沪科版选修3_4

第四章光的波动性(时间：90分钟，满分：100分)一、选择题(本题共10小题，每小题4分，共40分．在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不答的得0分)1.许多光学现象在科学技术上得到了应用，以下对一些应用的解释，正确的是( ) A ．光导纤维利用的是光的全反射现象 B ．X 光透视利用的是光的衍射现象 C ．分光镜利用的是光的色散现象D ．红外遥感技术利用的是一切物体都不停地辐射红外线的现象解析：选ACD.光导纤维是利用了光的全反射；X 光的透视是利用了X 光的强穿透能力；分光镜利用了光的色散；红外遥感技术是利用了一切物体不停地向外辐射红外线的现象．故A 、C 、D 正确．2.两束不同频率的单色光a 、b 从空气射入水中，发生了如图所示的折射现象(α>β)．下列结论中正确的是( )A ．光束b 的频率比光束a 低B ．在水中的传播速度，光束a 比光束b 小C ．水对光束a 的折射率比水对光束b 的折射率小D ．若光束从水中射向空气，则光束b 的临界角比光束a 的临界角大解析：选C.由公式n ＝sin isin r可得折射率n a <n b ，选项C 正确．由于n a <n b ，所以νa <νb ，选项A错误．由n ＝c v知传播速度v a >v b ，B 选项错误．由sin C ＝1n知临界角C a >C b ，选项D 错误．3.太阳光照射下肥皂膜呈现的彩色，瀑布在阳光下呈现的彩虹以及通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹，这些现象分别属于( ) A ．光的干涉、色散和衍射现象 B ．光的干涉、衍射和色散现象 C ．光的衍射、色散和干涉现象 D ．光的衍射、干涉和色散现象解析：选A.在太阳光照射下肥皂膜呈现彩色，是薄膜干涉现象；瀑布溅起的小水滴相当于棱镜，在阳光下呈现的彩虹是光的色散现象；通过狭缝观察发光的日光灯时看到的彩色条纹是光的衍射现象．4.光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务．目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络．下列说法正确的是( ) A ．光纤通信利用光作为载体来传递信息 B ．光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理 C ．光导纤维传递光信号是利用光的色散原理D ．目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝解析：选AD.光导纤维传递光信号是利用光的全反射原理，故B 、C 选项错误．5.实验表明，可见光通过三棱镜时各色光的折射率n 随波长λ的变化符合柯西经验公式：n ＝A ＋B λ2＋Cλ4，其中A 、B 、C 是正的常量．太阳光进入三棱镜后发生色散的情形如图所示．则( )A ．屏上c 处是紫光B ．屏上d 处是红光C ．屏上b 处是紫光D ．屏上a 处是红光解析：选D.由公式可知，光的波长越长，折射率越小．而在太阳光的可见范围内，从红光到紫光的波长越来越短，即折射率越来越大，所以a 处是红光，d 处是紫光，则A 、B 、C 错误，D 正确．6.奶粉中碳水化合物(糖)的含量是检验奶粉质量的一种重要指标，可以用“旋光法”来测量糖溶液的浓度，从而测定含糖量．偏振光通过糖的水溶液后，偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度α，这一角度α称为“旋光度”，α的值只与糖溶液的浓度有关，将α的测量值与标准值相比较，就能测量被测样品的含糖量了．如图所示，S 是自然光源，A 、B 是偏振片，转动B ，使到达O 处的光最强，然后将被测样品P 置于A 、B 之间，则下列说法中正确的是( )A ．到达O 处光的强度会明显减弱B ．到达O 处光的强度不会明显减弱C ．将偏振片B 转动一个角度，使得O 处光的强度最大，偏振片转过的角度等于αD ．将偏振片A 转动一个角度，使得O 处光的强度最大，偏振片转过的角度等于α解析：选ACD.自然光通过偏振片A 后，变成偏振光，调整到偏振片B 与A 平行，偏振光能通过B ，在O 处得到较强的光．若在P 处放被测液体，由于旋光性，通过液体的光将不能全通过B ，此时在O 处得到的光会明显减弱．通过旋转B 或A 均能得到“旋光度”，选项A 、C 、D 正确．6.在一次讨论中，老师问道：“假如水中相同深度处有a 、b 、c 三种不同颜色的单色点光源，有人在水面上方同等条件下观测发现，b 在水下的像最深，c 照亮水面的面积比a 的大．关于这三种光在水中的性质，同学们能做出什么判断？”有同学回答如下： ①c 光的频率最大 ②a 光的传播速度最小 ③b 光的折射率最大 ④a 光的波长比b 光的短根据老师的假定，以上回答正确的是( ) A ．①② B ．①③ C ．②④ D ．③④解析：选C.由视深与实深的关系式h 视＝h 实n可知b 光的折射率最小，故③错误，即B 、D 两项均错；c 光从水下照亮水面的面积比a 的大说明c 光不容易发生全反射，即c 光的折射率比a 光的小，其频率也小于a 的频率，故①错误，A 项错误，综上可知n b <n c <n a ，νb <νc <νa ，再由v ＝c n及c ＝λν可得②④均正确．8.雨后太阳光入射到水滴中发生色散而形成彩虹．设水滴是球形的，图中的圆代表水滴过球心的截面，入射光线在过此截面的平面内，a 、b 、c 、d 代表四条不同颜色的出射光线，则它们可能依次是( )A ．紫光、黄光、蓝光和红光B ．紫光、蓝光、黄光和红光C ．红光、蓝光、黄光和紫光D ．红光、黄光、蓝光和紫光解析：选B.由供选答案知四种光线红、黄、蓝、紫的频率为ν红<ν黄<ν蓝<ν紫，故其折射率n 红<n 黄<n 蓝<n 紫，因折射率大，光在折射时，偏折程度大，故太阳光经水滴折射后，在水中传播，从上到下依次为红、黄、蓝、紫，再由光的反射定律，结合传播图可知其反射后从上到下顺序颠倒，因此出射光依次为紫光、蓝光、黄光和红光，B 正确，A 、C 、D 均错．9.频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如图所示，下列说法正确的是( )A ．单色光1的波长小于单色光2的波长B ．在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度C ．单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间D ．单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角解析：选AD.由折射定律n ＝sin i sin r ，知n 1>n 2，λ1<λ2，由v ＝cn知v 1<v 2，故选项A 正确，选项B 错误．设玻璃板的厚度为h ，光在玻璃板中的传播时间t ＝h cos r ·v ＝nh cos r ·c ＝nhc 1－sin 2r＝hn c 1－sin 2i n2＝n 2h c n 2－sin 2i，n 越大，t 越大，即t 1>t 2，故选项C 错误，由sin C ＝1n 知，C 1<C 2，故选项D 正确．10.右图是一个14圆柱体棱镜的截面图，图中E 、F 、G 、H 将半径OM 分成5等份，虚线EE 1、FF 1、GG 1、HH 1平行于半径ON ，ON 边可吸收到达其上的所有光线．已知该棱镜的折射率n ＝53，若平行光束垂直入射并覆盖OM ，则光线( )A ．不能从圆弧NF 1射出B ．只能从圆弧NG 1射出C ．能从圆弧G 1H 1射出D ．能从圆弧H 1M 射出解析：选B.由折射率n ＝53知该棱镜的全反射临界角为C ＝37°(sin C ＝35)，从G 点入射的光线垂直进入棱镜后，在G 1点恰好发生全反射，则G 1M 圆弧上所有入射的光线均发生全反射，不会从棱镜中射出，只有NG 1圆弧上入射的光线折射后射出棱镜．所以只有B 正确，A 、C 、D 错误．二、实验题(本题共2小题，共12分．按题目要求作答)11.(4分)某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率．开始玻璃砖的位置如图中实线所示，使大头针P 1、P 2与圆心O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察P 1、P 2的像，且P 2的像挡住P 1的像．如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失．此时只须测量出____________________，即可计算出玻璃砖的折射率．请用你的测量量表示出折射率n ＝________．解析：当恰好看不见P 1、P 2的像时，刚好发生全反射现象，此时玻璃砖直径转过的角度θ为临界角，折射率n ＝1sin θ. 答案：玻璃砖直径边绕O 点转过的角度θ1sin θ12.(8分)某同学设计了一个测定激光的波长的实验装置如图(a)所示，激光器发出一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒，感光片上出现一排等距的亮点，图(b)中的黑点代表亮点的中心位置．(1)这个现象说明激光具有________性．(2)通过量出相邻光点的距离可算出激光的波长，据资料介绍：如果双缝的缝间距离为a ，双缝到感光片的距离为L ，感光片上相邻两光点间的距离为b ，则光的波长λ＝abL.该同学测得L ＝1.0000 m ，缝间距a ＝0.22 mm ，用带十分度游标卡尺测感光片的点间距离时，尺与点的中心位置如图(b)所示．图(b)中第1个到第4个光点的距离是________ mm.实验中激光的波长λ＝________ m ．(保留两位有效数字)(3)如果实验时将红激光换成蓝激光，屏上相邻两光点间的距离将________．解析：(1)激光的感光照片出现等间距的亮点，说明激光具有波动性． (2)由题图(b)知游标卡尺的读数为8.5 mm ，根据公式λ＝ab L 知λ＝0.22×10－3×13×8.5×10－31.0000 m ＝6.2×10－7m.(3)由λ＝ab L 知b ＝L λa，当红激光换成蓝激光时λ变小，故b 变小．答案：(1)波动 (2)8.5 6.2×10－7m (3)变小三、计算题(本题共4小题，共48分．解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分．有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)13.(8分)如图所示，扇形AOB 为透明柱状介质的横截面，圆心角∠AOB ＝60°.一束平行于角平分线OM 的单色光由OA 射入介质，经OA 折射的光线恰平行于OB . (1)求介质的折射率．(2)折射光线中恰好射到M 点的光线________(填“能”或“不能”)发生全反射．解析：依题意作出光路图，(1)由几何知识可知，入射角i ＝60°，折射角r ＝30°(2分) 根据折射定律得n ＝sin isin r(2分) 代入数据解得n ＝3(2分)(2)如图所示，由几何条件及折射定律可知不能．…(2分)答案：(1) 3 (2)不能14.(12分)如图是北京奥运会期间安置在游泳池底部的照相机拍摄的一张照片，相机的镜头竖直向上．照片中，水立方运动馆的景象呈现在半径r ＝11 cm 的圆形范围内，水面上的运动员手到脚的长度l ＝10 cm.若已知水的折射率n ＝43，请根据运动员的实际身高估算该游泳池的水深h .(结果保留两位有效数字)解析：如图所示，设照片圆形区域的实际半径为R ，运动员实际长为L ，由题意知，C 为临界角，则sin C ＝1n ＝34，(3分) 从图可得sin C ＝R R 2＋h 2(3分)R r ＝Ll(2分) 得h ＝n 2－1·L lr (2分)取L ＝2.2 m ，解得h ＝2.1 m(1.6～2.6 m 都算对) (2分)答案：2.1 m15.(14分)如图所示，在双缝干涉实验中，S 1和S 2为双缝，P 是光屏上的一点，已知P 点与S 1和S 2距离之差为2.1×10－6m ，现分别用A 、B 两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P 点是亮条纹还是暗条纹？(1)已知A 光在折射率为n ＝1.5的介质中波长为4×10－7m ；(2)已知B 光在某种介质中波长为3.15×10－7m ，当B 光从这种介质射向空气时，临界角为37°.解析：已知P 点与S 1和S 2的距离之差，由出现亮暗条纹的条件可判断是亮条纹或暗条纹． (1)设A 光在空气中波长为λ1，在介质中波长为λ2，由n ＝λ1λ2，得λ1＝n λ2＝1.5×4×10－7m ＝6×10－7m. (2分)根据路程差δ＝2.1×10－6m ，所以N 1＝δλ1＝2.1×10－66×10－7＝3.5.(3分)由此可知，从S 1和S 2到P 点的路程差δ是波长λ1的3.5倍，所以P 点为暗条纹．(2分) (2)根据临界角与折射率的关系sin C ＝1n，得n ＝1sin37°＝53.(2分)由此可知，B 光在空气中波长λ2′为： λ2′＝n λ介＝53×3.15×10－7 m ＝5.25×10－7m. 则路程差δ和波长λ2′的关系： N 2＝δλ2′＝2.1×10－65.25×10－7＝4.(3分)可见，用B 光做光源，P 点为亮条纹．(2分) 答案：(1)P 为暗条纹 (2)P 为亮条纹16.(14分)如图所示，直角玻璃三棱镜置于空气中，已知∠A ＝60°，∠C ＝90°，一束极细的光于AC 的中点D 垂直AC 面入射，AD ＝a ，棱镜的折射率n ＝2，求：(1)光从棱镜第一次射入空气时的折射角；(2)光从进入棱镜到它第一次射入空气所经历的时间(设光在真空中传播速度为c )．解析：(1)如图所示，i 1＝60°，设全反射临界角为C ，sin C ＝1n ＝12，C ＝45°，i 1>45°，发生全反射．(4分)i 2＝i 1－30°＝30°<C ，存在折射现象．(2分) 由折射定律n ＝sin rsin i 2＝2，r ＝45°.(2分)(2)镜中光速：v ＝c n＝c2，(3分)所求时间t ＝3av＋av cos30°＝52a 3c.(3分)答案：(1)45° (2)52a3c。

2017年高中物理第4章光的波动性4.5全反射与光导纤维激光学案沪科版选修3_420171031119

5 全反射与光导纤维激光[学习目标定位] 1.认识光的全反射现象，知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.2.理解发生全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.3.知道全反射棱镜及其应用.4.了解光导纤维的工作原理及其在生产、生活中的应用.5.了解激光的特性和应用，了解全息照相的原理．1．光在两种介质的分界面发生反射时，反射角等于入射角，当发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦成正比．(填“入射角”“反射角”“折射角”之间的关系)2．光疏介质和光密介质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．3．全反射现象(1)临界角：光由光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°，这时的入射角叫做临界角．(2)全反射现象：当光线由光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于临界角，就发生全反射现象，也叫做全内反射．4．全反射的应用(1)全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全反射改变光路．(2)光导纤维：由折射率较大的内层纤芯和折射率较小的外面包层组成，光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射．5．激光的特点及应用一、全反射 [问题设计]光从空气射入水中时，入射角大于折射角，由光路可逆知当光从水中射入空气时，折射角大于入射角(如图1所示)．若入射角i 逐渐增大，折射角r 如何变化？猜想一下当i 增大到90°的过程中会出现什么现象？图1答案由sin rsin i ＝n 知当i 增大，r 也会增大，随着i 的增大，r 先增大到90°，若i 再增大，则折射光线会消失． [要点提炼]1．光疏介质和光密介质2(1)临界角：折射角为90°时的入射角称为全反射临界角，简称临界角，用C 表示，C ＝arcsin 1n.(2)全反射发生的条件①光从光密介质射入光疏介质．②入射角大于或等于临界角．(3)全反射现象中能量分配关系①折射角随着入射角的增大而增大，折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光线的强度增强，能量增大，亮度增强．②当入射角增大到某一角度时(即临界角)，折射光能量减弱到零(即折射角为90°)，入射光的能量全部反射回来，这就是全反射现象．例1如图2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( )图2A．假若三条光线中有一条在O点发生了全反射，那一定是aO光线B. 假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射C．假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射D．假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大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aO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aO光线，因为它的入射角最大，所以选项A对．假若光线bO能发生全反射，说明它的入射角等于或大于临界角，光线aO的入射角更大，所以，光线aO一定能发生全反射，光线cO的入射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此，cO光线不一定能发生全反射．所以选项C对，B错．假若光线aO恰能发生全反射，则光线bO和光线cO都不能发生全反射，但bO光线的入射角更接近于临界角，所以，光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强，即光线bO的反射光线亮度较大，所以D对，本题答案选A、C、D.答案ACD二、全反射现象的应用[问题设计]如图3所示，自行车后有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．那么自行车的尾灯采用了什么原理？图3答案采用了全反射的原理．[要点提炼]1．全反射棱镜(1)构造：截面为等腰直角三角形的棱镜．(2)特点：①当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射，比平面镜的反射率高，几乎可达100%；②反射面不必涂任何反光物质，反射失真小．2．光导纤维(1)原理：利用了光的全反射．(2)构造：光导纤维由内层纤芯和外面包层两层组成．内层纤芯的折射率比外面包层的大．光传播时在内层纤芯与外面包层的界面上发生全反射．(3)特点：容量大，能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等．例2光导纤维的结构如图4所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．以下关于光导纤维的说法正确的是( )图4A．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B．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射C．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生折射D．内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用解析光导纤维很细，它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．答案 A三、全反射的定量计算例3如图5所示，水的折射率为n，水面上漂浮着一圆木板，圆木板中央竖直插着一根大头针，且在水中部分长为h.若从圆木板四周恰好看不到大头针的顶尖P，则圆木板的面积是多少？图5解析当P点光线射到木板边缘时恰好发生全反射，即在空气中没有出射光线，则圆木板半径r ＝h tan C ，又由全反射公式sin C ＝1n 知，cos C ＝n 2－1n.即tan C ＝1n 2－1，则r ＝hn 2－1. 面积S ＝πr 2＝πh2n 2－1.答案πh2n 2－11．全反射与光导纤维⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧光疏介质和光密介质全反射现象：入射光从反射面全部反射回原介质的现象全反射发生的条件⎩⎪⎨⎪⎧ 光由光密介质射向光疏介质入射角大于或等于临界角临界角：折射角为90°时的入射角，sin C ＝1n 全反射的应用⎩⎨⎧全反射棱镜光纤及其应用⎩⎪⎨⎪⎧ 原理：光的全反射内窥镜光纤通信2．激光⎩⎪⎨⎪⎧特性⎩⎪⎨⎪⎧单色性好、相干性好平行度好亮度高应用⎩⎪⎨⎪⎧ 光纤通信、测距、切割、焊接全息照相1．(2014·福建·13)如图，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O 点为该玻璃砖截面的圆心，下图能正确描述其光路的是( )答案 A解析①光从玻璃砖射向空气时，如果入射角大于临界角，则发生全反射；如果入射角小于临界角，则在界面处既有反射光线，又有折射光线，但折射角应大于入射角，选项A正确，选项C错误．②当光从空气射入玻璃砖时，在界面处既有反射光线，又有折射光线，且入射角大于折射角，选项B、D错误．2．光从介质a射向介质b，如果要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是( )A．a是光密介质，b是光疏介质B．光在介质a中的速度必须大于在介质b中的速度C．光的入射角必须大于或等于临界角D．光的入射角必须小于临界角答案AC3．让激光照到VCD机、CD机或计算机的光盘上，就可以读出盘上记录的信息，经过处理后还原成声音和图像，这是利用光的( )A．平行度好，可以会聚到很小的一点上B．相干性好，可以很容易形成干涉图样C．亮度高，可以在很短时间内集中很大的能量D．波长短，很容易发生明显的衍射现象答案 A解析激光的特点之一是平行度好，它可以会聚到一个很小的点上，DVD、VCD、CD唱机或电脑上的光驱及刻录设备就利用了激光的这一特点，选项A正确，B、C、D错误．[基础题]1．关于全反射，下列说法中正确的是( )A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B．光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射C．光线从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射D．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射答案CD解析光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度后，折射光线完全消失，只剩下反射光线的现象叫全反射，故A、B错误，C正确；光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面发生了全反射，即反射光增强，透射光减弱，使气泡看起来特别亮，D正确．2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按下面几种方式传播，可能发生全反射的是( )A．从水晶射入玻璃B．从水射入二硫化碳C．从玻璃射入水中D．从水射入水晶答案 C解析本题考查发生全反射的条件，光只有从光密介质射入光疏介质才可能发生全反射，从水晶射入玻璃、从水射入二硫化碳、从水射入水晶都是从光疏介质射入光密介质，都不可能发生全反射，故A、B、D错误，从玻璃射入水中是从光密介质射入光疏介质，有可能发生全反射，故C正确．3．如图1所示，ABCD是平面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则( )图1A．只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ 上可能发生全反射现象B．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ 上可能发生全反射现象C．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ 上都不可能发生全反射现象D．不管入射角多大，光线在界面Ⅱ 上都不可能发生全反射现象答案CD解析在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不会发生全反射现象，选项C正确，A错误；在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D也正确，B错误．4．在水底的潜水员看来，水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是因为( )A．水面上远处的景物反射的阳光都因为全反射而不能进入水中B．水面上远处的景物反射的阳光折射进入水中，其折射角不可能大于48.5°C．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为全反射的原因不可能进入水中D．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为折射的原因不可能进入潜水员的眼中答案 B解析水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是由于水的临界角为48.5°，光由空中射入水中时，最大折射角为48.5°，不能发生全反射；当光由水中射向空中时有可能发生全反射现象，故B正确，A、C、D错．5.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2所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．下列选项中给出了两棱镜四种放置方式的示意图．其中能产生如图所示效果的是( )图2答案 B解析四个选项产生光路效果如下图：由图可知B项正确．6．以下说法中正确的是( )A．激光是一种人工产生的相干光，具有高度的相干性B．由于激光的方向性好，所以激光不能发生衍射现象C．光纤通信是激光和光导纤维相结合的产物D ．普通照相技术所记录只是光波的强弱信息，而全息照相技术还可以记录光波的相位信息答案 ACD7．(2014·新课标Ⅰ·34(2))一个半圆柱形玻璃砖，其横截面是半径为R 的半圆，AB 为半圆的直径，O 为圆心，如图3所示，玻璃的折射率为n ＝ 2.图3(ⅰ)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面，若光线到达上表面后，都能从该表面射出，则入射光束在AB 上的最大宽度为多少？ (ⅱ)一细束光线在O 点左侧与O 相距32R 处垂直于AB 从下方入射，求此光线从玻璃砖射出点的位置．答案见解析解析 (ⅰ)在O 点左侧，设从E 点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ，则OE 区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出，如图．由全反射条件有sin θ＝1n①由几何关系有OE ＝R sin θ②由对称性可知，若光线都能从上表面射出，光束的宽度最大为l ＝2OE ③ 联立①②③式，代入已知数据得l ＝2R ④(ⅱ)设光线在距O 点32R 的C 点射入后，在上表面的入射角为α，由几何关系及①式和已知条件得 α＝60°>θ⑤光线在玻璃砖内会发生三次全反射，最后由G 点射出，如图，由反射定律和几何关系得OG ＝OC ＝32R ⑥ 射到G 点的光有一部分被反射，沿原路返回到达C 点射出． [能力题]8．在战争爆发时，某方欲用激光器击毁位于地平线上方的敌方空间站，则应将激光器( ) A ．瞄高些 B ．瞄低些C ．沿视线直接瞄准D ．若激光束是红色，而空间站是蓝色的，则应瞄高些答案 C解析空间站反射太阳的光射向地球，通过地球大气层要发生折射，而激光器发出的光通过大气层射向空间站也要发生折射，根据光路可逆，两者的光路相同．因此，A 、B 错，C 对．D 选项中空间站是蓝色的，反射光也是蓝色的，比红色激光束的折射率大，由折射定律知应瞄低些方能射中，故D 错．9．某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率．开始玻璃砖的位置如图4中实线所示，使大头针P 1、P 2与圆心O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察P 1、P 2的像，且P 2的像挡住P 1的像．如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失．此时只须测量出____________，即可计算出玻璃砖的折射率．请用你的测量量表示出折射率n ＝________.图4答案玻璃砖直径边绕O 点转过的角度θ1sin θ解析若半圆形玻璃砖转过θ角时在半圆形玻璃砖直径一侧恰好看不到P 1、P 2的像，那么此时恰好发生了全反射．如图所示，过P 1、P 2的光线在玻璃砖内的入射角为θ，在空气中折射角为90°，根据折射定律得n ＝sin 90°sin θ＝1sin θ，只要测出θ，就可求出玻璃砖的折射率．10．如图5所示，abc 是一块用折射率n ＝2的玻璃制成的透明体的横截面，ab 是半径为R 的圆弧，ac 边与bc 边垂直，∠aOc ＝60°.当一束平行黄色光垂直照到ac 上时，ab 的外表面只有一部分是亮的，其余是暗的．求发亮部分的弧长是多少？图5答案 16πR解析假定光线MN 射到ab 界面上时恰好发生了全反射，则MN 上方的光线一定在界面ab 上发生了全反射，因此只有射到界面Nb 上的光线才能射出玻璃，界面Nb 部分是亮的．由sin C ＝1n，得∠C ＝30°. 由几何关系知θ＝30°，所以弧Nb 的长度：s ＝30°360°×2πR ＝16πR . 11．一足够深的水池内盛有某种透明液体，液体的深度为H ，在水池的底部中央放一点光源，其中一条光线以30°入射角射到液体与空气的界面上，它的反射光线与折射光线的夹角为105°，如图6所示．求：图6(1)这种液体的折射率；(2)液体表面亮斑的面积．答案 (1) 2 (2)πH 2解析 (1)由于反射光线与折射光线的夹角为105°，入射角i ＝30°，则折射角r ＝45°；n ＝sin r sin i ＝ 2. (2)sin C ＝1n ＝22，C ＝45° 所以亮斑的半径R ＝H ，亮斑面积S ＝πR 2＝πH 2.12.如图7所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧形状，一细束单色光由MN 端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF 上发生全反射，然后垂直PQ 端面射出．图7(1)求该玻璃棒的折射率．(2)若将入射光向N 端平移，当第一次射到弧面EF 上时________(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射．答案 (1) 2 (2)能解析 (1)如图所示，单色光照射到EF 弧面上时恰好发生全反射，由全反射的条件可知C ＝45°①由折射定律得n ＝sin 90°sin C② 联立①②式解得n ＝ 2(2)当入射光向N 端移动时，光线在EF 面上的入射角将增大，所以能发生全反射．[探究与拓展题]13．一赛艇停在平静的水面上，赛艇前端有一标记P 离水面的高度为h 1＝0.6 m ，尾部下端Q 略高于水面；赛艇正前方离赛艇前端s 1＝0.8 m 处有一浮标，示意图如图8所示．一潜水员在浮标前方s 2＝3.0 m 处下潜到深度为h 2＝4.0 m 时，看到标记P 刚好被浮标挡住，此处看不到船尾端Q ；继续下潜Δh ＝4.0 m ，恰好能看见Q .求：图8(1)水的折射率n ；(2)赛艇的长度l .(可用根式表示)答案 (1)43 (2)⎝ ⎛⎭⎪⎫2477－3.8 m解析根据题意画出如图所示的示意图．(1)根据几何知识，知sin i ＝s 1s 21＋h 21＝0.8sin r ＝s 2s 22＋h 22＝0.6根据折射定律得折射率n ＝sin i sin r ＝43(2)潜水员恰好能看见Q 时，有sin C ＝1n ＝34又sin C ＝s 1＋s 2＋ls 1＋s 2＋l 2＋h 2＋Δh 2代入数据得l ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫2477－3.8 m。

高中物理第4章光的波动性 4.6 全反射与光导纤维 4.7 激光教师用书沪科版选修34

4.6 全反射与光导纤维4.7 激光[先填空]1.光疏介质和光密介质(1)概念：两种介质比较，折射率小的介质叫做光疏介质，折射率大的介质叫做光密介质.(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. 2.全反射现象(1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象.(2)临界角：刚好发生全反射(即折射角等于90°)时的入射角.用字母C 表示. (3)临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(真空)时，sin C ＝1n.[再判断]1.密度大的介质就是光密介质.(×)2.两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质.(√)3.光密介质和光疏介质具有绝对性.(×) [后思考]1.只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质？【提示】不能.光密介质、光疏介质是对确定的两种介质相比较折射率而确定的，只有一种介质是无法比较折射率的，从而无法确定它是光疏介质还是光密介质.2.为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？【提示】水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮.[核心点击]1.对光疏介质和光密介质的理解光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义.例如：水晶(n ＝1.55)对玻璃(n ＝1.5)是光密介质，而对金刚石(n ＝2.42)来说，就是光疏介质.同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，不是绝对的.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.由v ＝cn可知：光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小. 光在两种介质中传播时，由折射定律可知：n 1sin θ1＝n 2sin θ2，n 1v 1＝n 2v 2，由此可知：当光从光密介质传播到光疏介质时，折射角大于入射角；当光从光疏介质传播到光密介质时，折射角小于入射角.光在光疏介质中传播的速度大于光在光密介质中传播的速度.2.对全反射的理解(1)全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解.当光从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射.(2)全反射遵循的规律：光从光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律，有关计算仍依据反射定律进行.1.下列选项所示光线由空气透过半圆形玻璃砖，再射入空气的光路图中，正确的是(玻璃的折射率为1.5)( )【解析】【答案】 BDE2.已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是( )A.从玻璃射入水晶B.从水射入二硫化碳C.从玻璃射入水中D.从水晶射入水E.从玻璃射入二硫化碳【解析】发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故A 、C 、D 正确.【答案】 ACD3.为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB 面以60°入射角射入长方体时光线刚好不能从BC 面射出，如图461所示，该材料的折射率是多少？图461【解析】如图所示，根据折射定律：n ＝sin 60°sin r① 由题意可知sin C ＝1n② 而C ＝90°－r③由②③得cos r ＝1n④而cos r ＝1－sin 2r 代入④得1－sin 2r ＝1n⑤联立①和⑤解得n ＝72. 【答案】72全反射定律的应用技巧1.首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可.2.分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键.3.当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性.4.认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证.[先填空] 1.全反射棱镜顶角是直角的等腰三棱镜叫做全反射棱镜，沿棱镜的任何一面垂直射入棱镜的光都将发生全反射.2.光导纤维 (1)构造和原理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，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射.(2)应用：光导纤维可应用于医学上的内窥镜和光纤通信. [再判断]1.光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射.(×)2.全反射棱镜和平面镜都是根据全反射原理.(×)3.光纤通信的主要优点是容量大.(√) [后思考]微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂，光纤为什么要由两层介质构成？【提示】光纤的工作原理是全反射，要由两种介质配合才能产生全反射现象.[核心点击]1.全反射棱镜(1)用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜，其临界角约为42°.(2)改变光的传播方向：①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生全反射，光射出棱镜时，传播方向改变了90°.②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180°.(3)全反射棱镜特点：①与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%.②反射面不必涂任何反光物质，反射失真小.③克服了平面镜成多个像的问题.2.光导纤维(1)构造：光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成，如图462所示.图462实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，外层包上折射率比它小的材料，再把若干根光纤集成一束，制成光缆，进一步提高了光纤的强度.(2)原理：全反射是光导纤维的基本工作原理.光在光纤内传播时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角i≥C(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射.(3)应用：光纤通信是光导纤维的一个重要应用.载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信.4.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463所示，方框内有两个折射率为n＝1.5的全反射玻璃棱镜.在框内画出两个棱镜的放置方式并作出光路图.图463【答案】5.华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理奖，他被誉为“光纤通讯之父”.光纤通讯中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图464所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播.内芯的折射率比外套的________，光传播时在内芯与________的界面上发生全反射.图464【解析】光纤内芯比外套折射率大，在内芯与外套的界面上发生全反射. 【答案】大外套6.如图465所示，一根长为L 的直光导纤维，它的折射率为n .光从它的一个端面射入，从另一端面射出所需的最长时间为多少？(设光在真空中的光速为c )图465【解析】该题考查光导纤维的全反射及光速问题.由题中的已知条件可知，要使光线从光导纤维的一端射入，然后从它的另一端全部射出，必须使光线在光导纤维中发生全反射现象.要使光线在光导纤维中经历的时间最长，就必须使光线的路径最长，即光对光导纤维的入射角最小，光导纤维的临界角为C ＝arcsin 1n .光在光导纤维中传播的路程为d ＝L sin C＝nL ，光在光导纤维中传播的速度为v ＝c n ，所需的最长时间为t max ＝nL c n＝n 2Lc.【答案】 n 2Lc对光导纤维折射率的要求设光导纤维的折射率为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发射，如图466所示，则有：sin C ＝1n ，n ＝sin θ1sin θ2，C ＋θ2＝90°，由以上各式可得：图466sin θ1＝n 2－1.由图466可知：(1)当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小.(2)当θ1＝90°时，若θ＝C ，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有n ＝2，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率.(3)由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比2大些.[先填空]1.激光的特点及应用(1)与普通照相技术的比较普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的相位信息.(2)原理：全息照片的拍摄利用了光的干涉原理.[再判断]1.激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点.(√)2.激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好.(×)3.全息照相技术只能记录光波的强弱信息.(×)[后思考]利用激光测量地球到月球的距离，应用了激光哪方面的性质？【提示】应用了“平行度”非常好的性质.[核心点击]1.激光的相干性好所谓相干性好，是指容易产生干涉现象.普通光源发出的光(即使是所谓的单色光)频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件.所以，现在我们做双缝干涉实验时，无需在双缝前放一个单缝，而是用激光直接照射双缝，就能得到既明亮又清晰的干涉条纹.利用相干光易于调制的特点，传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通讯容量，而光纤通信就必须借助激光技术才能发展.2.激光的平行度非常好与普通光相比，传播相同距离的激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距.现在利用激光测量地月距离精确度已达到1 m.3.激光的亮度非常高它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温.不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛.4.激光单色性很好激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的.7.关于激光的应用，下列说法中正确的是( )A.光纤通信是应用激光相干好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中进行信息传递B.计算机内用“磁头”可读出光盘上记录的信息是应用了激光平行度好的特点来进行的C.医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点E.激光打孔是应用了激光相干性好的特点【解析】光纤通信主要利用激光的相干性好的特点，选项A正确；计算机内的“磁头”可读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好的特点，选项B正确；医疗中用激光作“光刀”和工业上用激光打孔都是利用了激光的亮度高的特点，选项C正确，E错误；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，选项D错误.【答案】ABC8.准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光刀，可用于进行近视眼的治疗.用这样的激光刀对近视眼进行手术，手术时间短、效果好、无痛苦.关于这个治疗，以下说法中正确的是( )A.近视眼是物体成像在眼球中的视网膜的前面，使人不能看清物体B.激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术C.激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复D.激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削E.激光治疗近视眼手术是利用激光的相干性好【解析】激光手术是物理技术用于临床医学的最新成果.人的眼睛是一个光学成像系统，角膜和晶状体相当于一个凸透镜，物体通过凸透镜成像在视网膜上，人就能看清楚物体.当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小，物体成像在视网膜的前面时，人就不能看清物体，这就是近视眼，A对；激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术，B对、E错；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，使眼球中的凸透镜的焦距适当变大，物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上，C错、D对.【答案】ABD9.激光全息照片的底片上记录了光的干涉条纹，含有被拍摄物体反射的光的所有信息，实现了照片的立体性.若照相时，被摄物体被挡住一部分，通过调整视线仍可看见被挡部分.照片被切开成两半，从一半上仍可看到物体的全像，照片就像一个观察物体的窗口.激光全息照相利用了激光________的性质.【解析】全息照相利用激光的频率单一、相干性好的特点，使参考光和物光有很高的相干性，拍摄立体照片.【答案】相干性好激光的特点及其应用。