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2013-2014学年高中物理 13.2 全反射精品练案(含解析) 新人教版选修3-4


第十三章 光 13.2 全反射
【自主预习】 1.不同介质的折射率不同, 我们把折射率较小的介质称为________介质, 折射率较大的介质称为 ________介质。光疏介质与光密介质是________。 2.当光从光密介质射入光疏介质时,当入射角增大到某一角度,使折射角达到________时,折 射光________消失,________反射光,这种现象叫做全反射。

这时的入射角叫做________。 3 .发生全反射的条件:当光从 ________介质射入________介质时,如果入射角等于或者大于 ________,就会发生全反射现象。 4.光从介质射入空气(真空)时,发生全反射的临界角 C 与介质的折射率 n 的关系是________。 5.临界角:折射角等于__________时的___________角叫临界角,用 C 表示, C ? arcsin

1 . n

6.发生全反射的条件: (1)光由_______介质射向_____介质; (2)入射角________临界角. 7.全反射棱镜: 。与平面镜相比,它的 , , 由于反射面不必涂反光物质,所以反射时 。它在光学仪器中用来 8.光导纤维;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,在 ___________和___________的界面上发生全反射 【典型例题】 一、光密介质和光疏介质 【例 1】下列说法正确的是( ) 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 二、全反射 【例 2】已知介质对某单色光的临界角为 C,则( 1 A.该介质对单色光的折射率等于 sinC B.此单色光在该介质中的传播速度等于 csinC(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 sinC 倍 1 D.此单色光在该介质中的频率是在真空中的 倍 sinC 三、光导纤维 【例 3】 .如图 13-2-5 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
5

)

出。 (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。

四、全反射的应用: 【例 4】有人在河中游泳,头部露出水面,在某一位置当他低头向水中观察时,看到河底有一静 止物体跟他眼睛正好在同一竖直线上。 这个人再向前游 12 m, 正好不能看见此物体, 求河深。 (水 的折射率为 4/3)

【课后练习】 1.如图所示,ABCD 是两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( ) A.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 2.已知介质对某单色光的临界角为 C,则( ) A.该介质对单色光的折射率等于

1 sin C

B.此单色光在该介质中的传播速度等于 c·sinC(c 是光在真空中的传播速度) C.此单色光在该介质中的波长是在真空中波长的 sinC 倍 D.此单色光在该介质中的频率是在真空中的

1 倍 sin C

3.一束光线从折射率为 1.5 的玻璃内射向空气,在界面上的入射角为 45°.下面四个光路图中, 正确的是( )

6

4.在医学上,光导纤维可以制成内窥镜,用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部.内窥镜有 两组光导纤维,一组用来把光输送到人体内部,另一组用来进行观察.光在光导纤维中的传输利 用了( ) A.光的折射 B.光的衍射 C.光的干涉 D.光的全反射 5.潜水员在水深为 h 的地方向水面观望时,发现整个天空及远处地面的景物均呈现在水面处的 圆形区域内,已知水的临界角为 θ ,则所观察到的圆形半径为( ) A.htanθ B.hsinθ C.h/tanθ D.h/sinθ 6.光线在玻璃和空气的分界面上发生全反射的条件是( A.光从玻璃射到分界面上,入射角足够小 B.光从玻璃射到分界面上,入射角足够大 C.光从空气射到分界面上,入射角足够小 D.光从空气射到分界面上,入射角足够大 )

7.在自行车的后挡泥板上,常常安装着一个“尾灯”。其实它不是灯, 它是一种透明的塑料制成的,其截面如图 15-1 所示。夜间,从自行车后 方来的汽车灯光照在“尾灯”上时,“尾灯”就变得十分明亮,以便引起 汽车司机的注意。从原理上讲,它的功能是利用了( ) A.光的折射 B.光的全反射 C.光的干涉 D.光的衍射 9.光线从折射率为 2的介质中射向空气,如果入射角为 60°,下图中光路可能的是( )

8.关于光纤的说法,正确的是( ) A.光纤是由高级金属制成的,所以它比普通电线容量大 B.光纤是非常细的特制玻璃丝,但导电性能特别好,所以它比普通电线衰减小 C.光纤是非常细的特制玻璃丝,有内芯和外套两层组成,光纤是利用全反射原理来实现光的传 导的 D.在实际应用中,光纤必须呈笔直状态,因为弯曲的光纤是不能导光的
7

10.一束光从空气射入折射率 n= 2的某种玻璃的表面,下列说法中正确的是( A.当入射角大于 45°时,会发生全反射现象 B.无论入射角多大,折射角都不会超过 45° C.欲使折射角等于 30°,光应以 45°角入射 D.当入射角等于 arctan 2时,反射光线恰好跟折射光线垂直

)

11.两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为 θ 1、θ 2,已知 θ 1>θ 2。用 n1、 n2 分别表示水对两单色光的折射率,v1、v2 分别表示两单色光在水中的传播速度,则( ) A.n1<n2,v1<v2 B.n1<n2,v1>v2 C.n1>n2,v1<v2 D.n1>n2,v1>v2 12.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 15-4 所示。 方框内有两个折射率 n=1.5 的玻璃全反射棱 镜。下图给出了两个棱镜四种放置方式的示意图,其中能产生图 15-4 效 果的是( )

13. (2012 苏锡常镇一模)一束细光束由真空沿着径向射入 一块半圆柱形透明体,如图(a)所示,对其射出后的折射光 线的强度进行记录, 发现折射光线的强度随着 θ 的变化而变 化,如图(b)的图线所示.此透明体的临界角为 ▲ ,折射 率为 ▲ .

O

14.如图 15-7 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,又 从另一端面射出所需的最长时间是多少?(设光在真空中的光速为 c)

8

例题答案: 1. 【答案】B、D 【解析】因为水的折射率为 1.33,酒精的折射率为 1.36,所以水对酒精来说是光疏介质;由 v =c/n 可知,光在光密介质中的速度较小。 2. 【答案】A、B、C 1 1 c 1 【解析】由临界角的计算式 sinC= ,得 n= ,选项 A 正确;将 n= 代入 sinC= 得 sinC= n sinC v n

v ,故 v=csinC,选项 B 正确;设该单色光的频率为 f,在真空中的波长为 λ 0,在介质中的波长 c
为 λ ,由波长、频率、光速的关系得 c=λ 0f,v=λ f,由 sinC= =

v λ ,λ =λ 0sinC,选项 C c λ 0

正确;该单色光由真空传入介质时,频率不发生变化,选项 D 错误。 3.解析:如图所示单色光照射到 EF 弧面上时刚好发生全反射,由全反射的条件得 C=45° sin90° 由折射定律得 n= sinC 联立④⑤式得 n= 2。 答案:(1) 2 (2)能 4,。 【答案】10.6 m 【解析】如图 13-2-6 所示由题意知,C 为临界角,则 1 3 sinC= = ① n 4 由几何关系,可得 sinC= 12 12 +h
2 2



3 12 联立①②得: = ,解之得:h=10.6 m。 2 2 4 12 +h 课后练习答案: 1.CD 2.ABC 3.A 4.D 5.A 6. 解析:发生全反射的条件是光由光密介质射向光疏介质,且入射角大于等于临界角,故 B 正 确。 答案:B 7. 解析:从题图可以看出,自行车的尾灯是利用了全反射的原理,使光线发生了 180°偏折。 答案:B 8. 解析:光导纤维的作用是传导光,它是直径为几微米到一百微米之间的特制玻璃丝,且由内 芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大。载有声音、图像及各种数字信号的激光传播时, 在内芯和外套的界面上发生全反射,光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点。在实际应用 中,光纤是可以弯曲的。所以,答案是 C。
9

答案:C 9. 解析:先根据 sinC=1/n 求出临界角为 45°,由于入射角等于 60°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。 答案:C 10. 解析:由光疏介质进光密介质,不可能发生全反射现象,故 A 项错误;最大入射角为 90°, sini 此时最大折射角为 45°,故 B 项正确;根据 n= 可知,C 项正确;由几何关系可知 D 项正确。 sinr 答案:B、C、D 1 11. 解析:由临界角定义 sinC= 可知,临界角小,折射率大,因为 θ 1>θ 2,所以 n1<n2,故

n

选 C、D 是错误的;由 n= 知,n1v1=n2v2,v1>v2,故选项 A 错误而 B 正确。 答案:B 12. 解析: 画出入射光线与出射光线反向延长线的交点则为发生全反射的位置, 画上全反射棱镜, 可知 B 正确。 答案:B 13. (2) 60°(2 分) , 2 3 (2 分)
3

c v

14. 解析: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 。 n
光在光导纤维中传播的路程为

1

d=

=nL。 sinC

L

光在光导纤维中传播的速度为 v= 。 所需最长时间为 tmax= =

c n

d nL n2L = 。 v c c n

答案:

n2L c

10


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