高中物理魯科版 (2019)選擇性必修 第一冊第4章 光的折射和全反射第4節(jié) 光導纖維及其應用教課課件ppt

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基礎落實·必備知識全過關
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學以致用·隨堂檢測全達標
1.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì),認識光的全反射現(xiàn)象。(物理觀念)2.知道產(chǎn)生全反射的條件,能解釋全反射現(xiàn)象,會計算臨界角。(科學思維)3.知道全反射棱鏡及其應用。(科學思維)4.掌握光導纖維的工作原理及其應用。(科學思維)
一、全反射及其產(chǎn)生條件1.全反射光從玻璃入射到空氣中時,折射角　　　　入射角,當入射角增大到一定程度時,　　　　　　完全消失,全部光都被反射回玻璃內(nèi),這種現(xiàn)象稱為全反射現(xiàn)象。?
2.臨界角(1)定義:剛好發(fā)生全反射(即折射角等于　　　　)時的　　　　　,用字母C表示。?(2)臨界角和折射率的關系①定量關系:當光從折射率為n的某種介質(zhì)進入真空或空氣時的臨界角應滿足sin C=　　　　。?②定性關系:介質(zhì)的折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小,越容易發(fā)生全反射。
3.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)兩種介質(zhì)比較,折射率　　　　的介質(zhì)叫作光疏介質(zhì),折射率　　　　的介質(zhì)叫作光密介質(zhì)。?4.發(fā)生全反射的條件(1)光從　　　　介質(zhì)射入　　　　介質(zhì)。?(2)入射角　　　　　　臨界角。?
二、全反射現(xiàn)象1.解釋全反射現(xiàn)象(1)水或玻璃中的氣泡看起來特別亮,是由于光射到氣泡上發(fā)生了　　　　　。?(2)熏黑的鐵球放入水中,看起來會變得锃亮,是由于光射到球和水面之間的空氣層發(fā)生了全反射。(3)在沙漠里,接近地面的熱空氣的折射率比上層空氣的折射率　　　,從遠處物體射向地面的光線的入射角　　　　臨界角時,發(fā)生全反射,人們就會看到遠處物體的倒景即蜃景。?(4)炎熱的夏天,在公路上向遠處看去,有時路面顯得格外明亮光滑,就像被水淋過一樣,這也是一種蜃景。
2.全反射棱鏡(1)形狀:截面為　　　　　　　　　　的棱鏡。?(2)光學特性:①如圖甲所示,當光　　　　于截面的　　　　　射入棱鏡時,光在截面的　　　　上發(fā)生全反射,光射出棱鏡時,傳播方向改變了　　　　(填度數(shù))。?②如圖乙所示,當光垂直于截面的　　　　射入棱鏡時,在　　　　　上各發(fā)生一次全反射,使光的傳播方向改變了　　　　(填度數(shù))。?
(3)應用:制作潛望鏡,代替鍍銀的平面鏡等。
三、光導纖維及其應用1.構(gòu)造把石英玻璃拉成直徑幾微米到幾十微米的細絲,再包上折射率比它　　　　的材料,就制成了光導纖維,簡稱光纖。?2.原理如圖所示,光纖一般由折射率較高的玻璃內(nèi)心和折射率較低的外層透明介質(zhì)組成,光在光纖內(nèi)傳播時,由光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)發(fā)生全反射,沿鋸齒形路徑由光纖的一端傳播到另一端。
3.應用(1)光纖通信光纖通信中,先將傳送的信息轉(zhuǎn)換為　　　　　,通過光纖將光信號傳輸?shù)浇邮斩?接收端再將光信號還原為　　　　　。光纖通信的容量遠大于電纜,光纖網(wǎng)是信息社會的重要基石,“光纖到戶”是信息社會的重要標志。?(2)醫(yī)用內(nèi)窺鏡:利用光束由光纖的一端傳播到另一端,可以將被檢查器官的變化情況傳回目鏡,使醫(yī)生能夠直接觀察到。
易錯辨析判一判1.密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì),密度小的介質(zhì)就是光疏介質(zhì)。(　　)2.光從空氣射入水中時可能發(fā)生全反射現(xiàn)象。(　　)3.魚缸中上升的氣泡亮晶晶的,是由于光射到氣泡上發(fā)生了全反射。(　　)4.光纖一般由折射率小的玻璃內(nèi)芯和折射率大的外層透明介質(zhì)組成。(　　)5.光纖通信的主要優(yōu)點是容量大。(　　)
光密與光疏是從介質(zhì)的光學特征上來講的,與密度大小無關。
即學即用練一練華裔科學家高錕被譽為“光纖通信之父”。光纖通信中信號傳播的主要載體是光導纖維,它的結(jié)構(gòu)如圖所示,其內(nèi)芯和外套材料不同,光在內(nèi)芯中傳播。下列關于光導纖維的說法正確的是(　　)
A.內(nèi)芯的折射率比外套的大,光傳播時在內(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,光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射C.波長越短的光在光纖中傳播的速度越大D.頻率越大的光在光纖中傳播的速度越大
解析 光纖內(nèi)芯比外套折射率大,在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射,故A正確、B錯誤;頻率越大的光波長越短,折射率越大,在光纖中傳播速度越小,故C、D錯誤。
探究一　對全反射的理解
夏季的早晨,從某一方向看植物葉子上的露珠會格外明亮,玻璃中的氣泡從側(cè)面看也是特別明亮,這是什么原理呢?
要點提示 光照射露珠或經(jīng)玻璃照射氣泡時,一部分光會發(fā)生全反射,有更多的光反射到人的眼睛中,人就會感覺特別明亮。
1.對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解(1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較:
(2)相對性:光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對的。任何兩種透明介質(zhì)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(zhì)或光密介質(zhì)。(3)光疏和光密是從介質(zhì)的光學特性來說的,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,酒精是光密介質(zhì)。
2.全反射現(xiàn)象(1)全反射的條件:①光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。②入射角大于等于臨界角。(2)全反射遵循的規(guī)律:發(fā)生全反射時,光全部返回原介質(zhì),入射光與反射光遵循光的反射定律,由于不存在折射光線,光的折射定律不再適用。(3)從能量角度來理解全反射:當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時,隨著入射角增大,折射角也增大。同時折射光線強度減弱,即折射光線能量減小,反射光線強度增強,能量增加,當入射角達到臨界角時,折射光線強度減弱到零,反射光的能量等于入射光的能量。
3.不同色光的臨界角不同顏色的光由同一介質(zhì)射向空氣或真空時,頻率越高的光的臨界角越小,越易發(fā)生全反射。
例題1　如圖所示,某種透明物質(zhì)制成的直角三棱鏡ABC,∠A等于30°,一束光線在紙面內(nèi)垂直AB邊射入棱鏡。如圖所示,發(fā)現(xiàn)光線剛好不能從BC面射出,而是最后從AC面射出。求:(1)透明物質(zhì)的折射率n;(2)光線從AC面射出時的折射角α的正弦值。
解析 (1)由題意可知,光線從AB邊垂直射入,恰好在BC面發(fā)生全反射,光線最后從AC面射出,光路圖如圖所示。
規(guī)律方法　分析光的全反射問題的關鍵根據(jù)臨界條件畫出恰好發(fā)生全反射的光路圖,再利用幾何知識分析邊角關系,結(jié)合sin C= 求解。
針對訓練1如圖所示,一束光以45°的入射角從AB面射入透明三棱鏡中,棱鏡折射率n= 。試求出進入AB面的折射角,并在圖中畫出該光束在棱鏡中的光路。
答案 30°　光路圖見解析
如圖所示,自行車后面有尾燈,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)出的強光照在尾燈上,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。
自行車的尾燈利用了什么原理?
要點提示 利用了全反射的原理。
1.光導纖維的構(gòu)造及傳播原理
光導纖維是一種透明的玻璃纖維絲,直徑只有1~100 μm。如圖所示,它是由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率,光由一端進入,在兩層的界面上經(jīng)過多次全反射,從另一端射出。光導纖維可以遠距離傳輸光信號,光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信號,進而變?yōu)槁曇?、圖像以及各種數(shù)字信號。如果把許多(上萬根)光導纖維合成一束,并使兩端的纖維按嚴格相同的次序排列,就可以傳輸圖像。
2.全反射棱鏡全反射棱鏡是利用全反射改變光路以便于觀察。在圖甲中的等腰直角三角形ABC表示一個全反射棱鏡的橫截面,它的兩直角邊AB和BC表示棱鏡上兩個互相垂直
的側(cè)面。如果光線垂直地射到AB面上,光在棱鏡內(nèi)會沿原來的方向射到AC面上。由于入射角(45°)大于光從玻璃射入空氣的臨界角(42°),光會在AC面上發(fā)生全反射,沿著垂直于BC的方向從棱鏡射出(圖甲)。如果光垂直地射到AC面上(圖乙),沿原方向射入棱鏡后,在AB、BC兩面上都會發(fā)生全反射,最后沿著與入射時相反的方向從AC面上射出。在光學儀器里,常用全反射棱鏡來代替平面鏡,改變光的傳播方向。圖丙是全反射棱鏡應用在潛望鏡里的光路圖。
例題2　如圖所示,AB為一直光導纖維,AB之間距離為s,使一光脈沖信號從光導纖維中間入射,射入后在光導纖維內(nèi)芯與外套的界面上恰好發(fā)生全反射,由A點傳輸?shù)紹點所用時間為t,求光導纖維所用材料的折射率n。
規(guī)律方法　光導纖維問題的求解思路根據(jù)題意“由A點傳輸?shù)紹點”畫出入射、折射、全反射的光路圖,結(jié)合幾何知識和臨界角求解。
針對訓練2 光纖通信利用光的全反射將大量信息高速傳輸。如圖所示,一條圓柱形的光導纖維,長為L,玻璃芯的折射率為n1,外層材料的折射率為n2,光在空氣中的傳播速度為c,若光從它的一端射入,經(jīng)全反射后從另一端射出所需的最長時間為t,則下列說法正確的是(圖中所示的φ為全反射的臨界角,其中sin φ= )(　　)
1.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
解析 折射率相對較小的介質(zhì)是光疏介質(zhì),折射率相對較大的介質(zhì)是光密介質(zhì),發(fā)生全反射的條件之一是光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由此可知選項C正確。
2.關于光纖的下列說法正確的是(　　)A.光纖是由高級金屬制成的,所以它比普通電線容量大B.光纖是非常細的特制玻璃絲,但導電性能特別好,所以它比普通電線衰減小C.光纖是非常細的特制玻璃絲,由內(nèi)芯和外套兩層組成,光纖是利用全反射原理來實現(xiàn)光的傳導的D.在實際應用中,光纖必須呈筆直狀態(tài),因為彎曲的光纖是不能傳導光的
解析 光導纖維的作用是傳導光,它是直徑為幾微米到一百微米之間的特制玻璃絲,且由內(nèi)芯和外套兩層組成,內(nèi)芯的折射率比外套的大。載有聲音、圖像及各種數(shù)字信號的激光傳播時,在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射,光纖具有容量大、衰減小、抗干擾性強等特點。在實際應用中,光纖是可以彎曲的。選項C正確。
3.某種介質(zhì)相對空氣的折射率是 ,一束光從該介質(zhì)射向空氣,入射角是60°,則下列光路圖正確的是(圖中Ⅰ為空氣,Ⅱ為介質(zhì))(　　)
解析 由題意知,光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì),由 ,得C=45°