(浙江新高考专用版)2019-2020学年高中物理 第十三章 光 2 全反射教案 新人教版选修3-4

2 全反射 知识内容

选考要求 课时要求 全反射 c 1.区分光疏介质和光密介质．

2．了解全反射现象，知道其产生条件．

3．知道光导纤维和全反射棱镜，了解它们的应用．

4．会计算全反射临界角.

一、全反射

1．光疏介质和光密介质

(1)光疏介质：折射率较小(填“大”或“小”)的介质．

(2)光密介质：折射率较大(填“大”或“小”)的介质．

(3)光疏介质与光密介质是相对(填“相对”或“绝对”)的．

2．全反射现象

(1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射．若入射角增大到某一角度，折射光线完全消失，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，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sin C ＝1n

. (3)全反射发生的条件

①光从光密介质射入光疏介质．

②入射角等于或大于临界角．

二、全反射棱镜

1．形状：截面为等腰直角三角形的棱镜．

2．全反射棱镜的特点

(1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高．

(2)反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小．

三、光导纤维

1．原理：利用了光的全反射．

2．构造：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．

3．光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等．

4．光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等．

1．判断下列说法的正误．

(1)入射角大于临界角就会发生全反射现象．( ×)

(2)光密介质是指密度大的介质．( ×)

(3)制作全反射棱镜的材料的折射率一定大于 2.( ×)

(4)光在光导纤维中的传播速度小于真空中的光速c.( √)

2.一束光从某介质进入真空，方向如图1所示，则该介质的折射率为________；逐渐增大入射角，光线将________(填“能”或“不能”)发生全反射；若使光发生全反射，应使光从________射入________，且入射角大于等于________．

图1

答案 2 能介质真空45°

一、全反射

当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确吗？为什么？

答案不正确．要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质．而水相对玻璃是光疏介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射．

1．全反射现象

(1)全反射的条件：

①光由光密介质射入光疏介质．

②入射角大于或等于临界角．

(2)全反射遵循的规律：①发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射

定律．②全反射的临界角C 和折射率n 的关系：sin C ＝1n . (3)从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大．同时折射光线强度减弱，能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光线的能量等于入射光线的能量．

2．不同色光的临界角

由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同．频率越大的光，折射率也越大，所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越大的光的临界角越小，越易发生全反射．

例1 某种介质对空气的折射率是2，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是(图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质)( )

答案 D

解析 由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sin C ＝1n ＝22

，得C ＝45°＜θ＝60°，故在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故选项D 正确．

二、全反射棱镜

如图所示，已知玻璃的折射率为1.5，甲图中当光线垂直BC 面入射时，光线到达AC 面的入射角是多少？能否发生全反射？乙图中当光线垂直AC 面入射时，光线到达AB 面的入射角是多少？能否发生全反射？

答案 45° 能发生全反射 45° 能发生全反射

全反射棱镜改变光路的几种情况

入射方式

项目 方式一 方式二 方式三

光路图

入射面AB AC AB

全反射面AC AB、BC AC 光线方向改变角度90°180°0°(发生侧移)

例2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的全反射玻璃棱镜．下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图．其中能产生图中效果的是( )

图2

答案 B

解析四个选项的光路图如图所示：

可知B项正确．

三、光导纤维

如图所示是光导纤维的结构示意图，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成．构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？

答案内芯的折射率大．因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端．

1．构造及传播原理

(1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如图3所示，它是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率大于外套的折射率．

图3

(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．

2．光导纤维的折射率

设光导纤维的折射率为n ，当入射角为θ1时，进入光导纤维的光线传到侧面恰好发生全反射，

则有：sin C

＝1n ，n ＝sin θ1sin θ2

，C ＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝n 2－1. 由图4

可知：当θ1增大时，θ2增大，由光导纤维射向空气的光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C ，则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射，即解得n ＝ 2.

图4

以上是光从光导纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比2大些． 例3 如图5所示，AB 为一直光导纤维，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 ct s

解析 设光导纤维所用材料的折射率为n ，则有

sin α＝sin C ＝1n ，n ＝c v ，t ＝s

sin αv ＝s

v sin α