知识讲解 光地反射、折射、全反射

光的反射、折射、全反射

【学习目标】

1．通过实例分析掌握光的反射定律与光的折射定律．

2．理解折射率的定义及其与光速的关系．

3．学会用光的折射、反射定律来处理有关问题．

4．知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念．

5．能判定是否发生全反射，并能分析解决有关问题．

6．了解全反射棱镜和光导纤维．

7．明确测定玻璃砖的折射率的原理．

8．知道测定玻璃砖的折射率的操作步骤．

9．会进行实验数据的处理和误差分析．

【要点梳理】

要点一、光的反射和折射

1．光的反射现象和折射现象

如图所示，当光线入射AO 到两种介质的分界面上时，一部分光被反射回原来的介质，即反射光线OB ，这种现象叫做光的反射．另一部分光进入第二种介质，并改变了原来的传播方向，即光线OC ，这种现象叫做光的折射现象，光线OC 称为折射光线．折射光线与法线的夹角称为折射角（2θ）．

2．反射定律

反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角．

3．折射定律

（1）内容：折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧．入射角的正弦跟折射角的正弦成正比．即12

sin sin θθ=常数．如图所示．

也可以用sin sin i n r

=的数学公式表达，n 为比例常数．这就是光的折射定律． （2）对折射定律的理解：

①注意光线偏折的方向：如果光线从折射率（1n ）小的介质射向折射率（2n ）大的介质，折射光线向法线偏折，入射角大于折射角，并且随着入射角的增大（减小）折射角也会增大（减小）；如果光线从折射率大的介质射向折射率小的介质，折射光线偏离法线，入射角小于折射角，并且随着入射角的增大（减小）折射角也会增大（减小）．

②折射光路是可逆的，如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上，光线就会逆着原来的人射光线发生折射，定律中的公式就变为12sin 1sin n

θθ=，式中1θ、2θ分别为此时的入射角和折射角． 4．折射率——公式中的n

（1）定义．

实验表明，光线在不同的介质界面发生折射时．相同入射角的情况下．折射角不同．这意味着定律中的n 值是与介质有关的，表格中的数据，是在光线从真空中射向介质时所测得的n 值，可以看到不同介质的n 值不同，表明n 值与介质的光学性质有关，人们把这种性质称为介质的折射率．实际运用中我们把光从真空斜射人某种介质发生折射时，入射角1θ的正弦跟折射角2θ的正弦之比。，叫做这种介质的折射率：12

sin sin n θθ=． （2）对折射率的理解．

①折射率与光速的关系：某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c 跟光在这种介质中传播速度v 之比，即c n v

=，单色光在折射率较大的介质中光速较小． ②折射率n 是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身及人射光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关，“折射率与sin i 成正比，跟sin r 成反比”的说法和“折射率n 跟光速”成反比的说法是错误的．

5．视深问题

（1）视深是人眼看透明物质内部某物点时像点离界面的距离．在中学阶段，一般都是沿着界面的法线方向去观察，在计算时，由于入射角很小，折射角也很小，故有：

111222sin tan sin tan θθθθθθ≈≈，这是在视深问题中经常用到的几个关系式．

（2）当沿竖直方向看水中的物体时，“视深”是实际深度的1n

倍，n 为水的折射率． 6．玻璃砖对光的折射

常见的玻璃砖有半圆形玻璃砖和长方形玻璃砖．对于半圆形玻璃砖，若光线从半圆面射入，且其方向指向圆心，则其光路图如图甲所示．对于两个折射面相互平行的长方形玻璃砖，其折射光路如图乙所示，光线经过两次折射后，出射光线与入射光线的方向平行，但发生了侧移．物点通过玻璃砖亦可以成虚像．如图丙所示为其示意图．

7．折射成像的画法

应用折射定律，确定物点发出的任意两条入射光线的折射光线，即可找到折射所成的像．如图所示．

8．画光路图应注意的问题

（1）光线实际是从哪个物体发出的；（2）是从光密介质向光疏介质传播的还是从光疏介质射向光密介质；（3）必要的时候还需要借助光的可逆性原理；（4）注意作图时一定要规范，光线与法线、光线的反向延长线等应用，实线和虚线区分．

9．关于大气层的折射率及光现象——蒙气差

地球大气层的密度不均匀，越接近地球，表面密度越大，折射率也越大．

光由真空进入空气中时，传播方向只有微小的变化，虽然如此，有时仍然不能不考虑空气的折射效应．图示表示来自一个遥远天体的光穿过地球大气层时被折射的情景．覆盖着地球表面的大气，越接近地表越稠密，折射率也越大．我们可以把地球表面上的大气看做是由折射率不同的许多水平气层组成的．星光从一个气层进入下一个气层时，要折向法线方向．结果，我们看到的这颗星星的位置，比它的实际位置要高一些．这种效应越是接近地平线就越明显．我们看到的靠近地平线的星星的位置，

要比它的实际位置高ρ︒．这种效应叫做蒙气差，是天文观测中必须考虑的．

要点二、全反射

1．光疏介质和光密介质

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相同的．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．

2．对光疏介质和光密介质的理解

（1）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（1.55n =）对玻璃（1.5n =）是光密介质，而对金刚石来说（ 2.427n =），就是光疏介质．同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的．

（2）光若从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角．

（3）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．

（4）光疏介质和光密介质的比较．

光疏介质和光密介质的比较表

光的速度 折射率 光疏介质

大 小 光密介质 小 大

要点诠释：光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而言的．任何两种透明介质都可以通过比较光在其中速度的大小或折射率的大小来判定谁是光疏介质或光密介质．

3．全反射

（1）全反射现象． 光由光密介质射向光疏介质时，折射角大于入射角．当入射角增人，反射光增强，折射光减弱，继续增大入射角，当折射角达到90︒时，折射光全部消失，入射光全部被反射回原介质，当入射角再增大时．入射光仍被界面全部反射回原介质，这种现象叫全反射．

（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．当光线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发生全反射的条件：

光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于或等于临界角． ③全反射遵循的规律：

光由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．

4．临界角

（1）临界角的定义：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． 要点诠释：①光从光密介质射向光疏介质时，只要入射角大于或等于临界角C ，一定会发生全反射现象．

②一般情况下，光由一种介质到达另一种介质时，光既有反射又有折射，即光的能量有一部分反射回原介质中：而另，一部分则进入其他介质中．发生全反射时，光的能量全部反射回原介质中．

（2）临界角C 的表示式：由折射定律知，光由某介质射向真空（或空气）时，若刚好发生全反射，则

sin 901sin sin n C C

︒=

=． 所以1sin C n =，即1arcsin C n =．