高中物理第四章光的折射第3节光的全反射教学案教科版选修3

第3节 光的全反射对应学生用书P56全反射现象及其条件 [自读教材·抓基础]1．光疏介质和光密介质 名称 项目 光疏介质 光密介质 定义 折射率较小的介质折射率较大的介质折射特点 (1)光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角 (2)光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角2．对全反射的理解(1)全反射：光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象。

(2)临界角：光从某种介质射向真空或空气时使折射角度变为90°时的入射角，称为这种介质的临界角。

(3)发生全反射的条件：1.光疏介质和光密介质是相对而言的，两种介质相比较，折射率大的为光密介质，折射率小的为光疏介质。

2．要发生全反射，必须同时满足两个条件： (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。

3．光由光密介质射入光疏介质，折射角等于90°时的入射角即为临界角，对于光由介质射入空气(或真空)的情况，sin C ＝1n。

4．光导纤维由内芯和外套两层组成，光纤传输利用的是光的全反射原理，其内芯折射率一定比外套折射率大。

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。

(4)临界角与折射率的关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C ＝1n(公式)。

[跟随名师·解疑难]1．光疏介质和光密介质的理解不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫做光密介质。

(1)对光路的影响：根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质(例如由空气射入水)时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质(例如由水射入空气)时，折射角大于入射角。

(2)光疏介质和光密介质的比较：(3)相对性：光疏介质、光密介质是相对的。

任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播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 。

2．对全反射的理解 (1)全反射遵循的规律：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，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用。

(2)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，即折射光线能量减小，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，反射光的能量等于入射光的能量。

(3)临界角①不同介质的折射率不同，发生全反射的临界角也不同，介质的折射率越大，临界角越小。

②不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)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°。

如图4－3－1所示的四个光路图中，正确的是( )图4－3－1解析：选A sin C ＝1n ＝23<sin 45°＝22，所以C <45°，所以发生全反射。

全反射的应用——光导纤维[自读教材·抓基础]1．光导纤维的原理 利用了全反射的原理。

2．光导纤维的构造光导纤维是一根极细的玻璃丝，直径约有几微米到100微米不等，由两种折射率不同的玻璃制成，分内芯和外套两层，内芯的折射率比外套的折射率大，当光在光纤内传播时，会在两层玻璃的界面上发生全反射，通过一系列的全反射，光就沿着弯弯曲曲的光纤从一端传到另一端。

3．光导纤维的应用(1)制成医学上常用的内窥镜； (2)实现光纤通信。

4．光纤通信的优点容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输速率高。

[跟随名师·解疑难]1．光导纤维的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，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像。

如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列。

就可以传播图像。

图4－3－22．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，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图4－3－3所示，则有：sin C ＝1n ，n ＝sin θ1sin θ2，C ＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝n 2－1。

图4－3－3由图4－3－3可知：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，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，即解得n ＝2，以上是光从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。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)光导纤维的结构如图4－3－4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4－3－4A ．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：选A 光导纤维的内芯折射率大于外套的折射率，光在由内芯射向外套时，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，故A 选项正确。

对应学生用书P57对全反射的理解[典题例析]1．一束光遇到空气和玻璃(折射率为n ＝2)的界面，下列说法正确的是 ( ) A ．当光由空气射向玻璃时，入射角等于或大于45°时，会发生全反射现象B ．当光由空气射向玻璃时，无论入射角多大，都不会发生全反射现象，且折射角不会超过45°C ．当光从玻璃射向空气时，一定会发生全反射D ．当光从玻璃射向空气时，入射角大于45°时，折射角会大于90°，因此入射角大于45°是不允许的[思路点拨](1)光从玻璃射入空气时的临界角C 满足如下关系：sin C ＝1n。

(2)入射角等于或大于45°时并不一定发生全反射。

解析：由sin C ＝1n得，光由玻璃射向空气的临界角C ＝45°，要发生全反射，光必须由玻璃射向空气，且入射角不小于45°，A 、C 、D 错误；当光由空气射向玻璃时，入射角i ＝90°时，折射角r ＝C ＝45°，故B 正确。

答案：B[探规寻律]对全反射现象的认识(1)光的反射和全反射均遵循光的反射定律，光路均是可逆的。

(2)光线射向两种介质的界面上时，往往同时发生光的折射和反射现象，但在全反射现象中，只发生反射，不发生折射，折射角等于90°时，实际上就已经没有折射光线了。

[跟踪演练](天津高考)固定的半圆形玻璃砖的横截面如图4－3－5，O 点为圆心，OO ′为直径MN 的垂线。

足够大的光屏PQ 紧靠玻璃砖右侧且垂直于MN 。

由A 、B 两种单色光组成的一束光沿半径方向射向O 点，入射光线与OO ′夹角θ较小时，光屏NQ 区城出现两个光斑，逐渐增大θ角，当θ＝α时，光屏NQ 区域A 光的光斑消失，继续增大θ角，当θ＝β时，光屏NQ 区域B 光的光斑消失，则( )图4－3－5A ．玻璃砖对A 光的折射率比对B 光的大 B ．A 光在玻璃砖中传播速度比B 光的大C ．α＜θ＜β时，光屏上只有1个光斑D ．β＜θ＜π2时，光屏上只有1个光斑解析：选AD 本题考查光的反射、折射、全反射规律的应用，意在考查考生对光的传播规律的灵活应用。

当θ较小时，屏上NQ 区域有两个光斑，这是两种单色光折射后折射程度不同的结果，当θ＝α时NQ 区域A 光消失，说明A 光发生了全反射，A 光发生全反射的临界角为α，同理，B 光发生全反射的临界角为β，由于β＞α，由n ＝1sin C 可知，B 光的折射率小，A 项正确；由v ＝cn可知，B 光在半圆形玻璃砖中传播速度较大，B 项错误；α＜θ＜β时，NQ 区域只有一个光斑，而由于光的反射，在NP 区域还有一个光斑，β＜θ＜π2时，两种单色光全部发生全反射，在NQ 区域没有光斑，在NP 区域有一个反射光斑，D 项正确。

光导纤维的应用[典题例析]2．某有线制导导弹发射时，在导弹发射基地和导弹间连一根细如蛛丝的特制光纤，它双向传输信号，能达到有线制导作用，光纤由纤芯和包层组成，其剖面如图4－3－6所示，其中纤芯材料的折射率n 1＝2，包层折射率n 2＝3，光纤长度L 为6 3 km 。

(已知当光从折射率为n 1的介质射入折射率为n 2的介质时，入射角θ1、折射角θ2间满足：n 1sin θ1＝n 2sinθ2)图4－3－6(1)试通过计算说明从光纤一端入射的光信号是否会通过包层“泄漏”出去。

(2)若导弹飞行过程中，将有关参数转变为光信号，利用光纤发回发射基地经瞬间处理后转化为指令光信号返回导弹，求信号往返需要的最长时间。

[思路点拨](1)光信号能否“泄漏”看当光在光纤内传播时，入射角最小时能否发生全反射。

(2)光在光纤内传播的路程为光传播过程中的轨迹长度。

(3)光速为光在光纤内的速度。

解析：(1)如图所示，由题意知在纤芯和包层分界面上全反射临界角C 满足n 1sin C ＝n 2sin 90°，得C ＝60°。

当在端面上的入射角最大(i ＝90°)时，折射角r 也最大，在纤芯与包层分界面上的入射角i ′最小，当端面上i ＝90°时，由n 1＝sin 90°sin r ，得r ＝30°，这时i ′＝90°－30°＝60°＝C 。

所以，在所有情况中从端面入射到光纤中的信号都会发生全反射，光信号不会从包层中“泄漏”出去。

(2)当在端面上入射角最大时所用的时间最长，这时光在纤芯中总路程为s ＝2Lcos r ，光纤中光速v ＝cn 1，所以信号往返需要的最长时间为t ＝s v ＝2n 1Lc cos r代入数据得t ＝1.6×10－4s 。

答案：(1)见解析 (2)1.6×10－4s[跟踪演练]光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，如图4－3－7所示，其中内芯的折射率为n 1，外套的折射率为n 2，下面说法正确的是( )图4－3－7A ．内芯和外套的折射率应满足n 1＞n 2B ．内芯和外套的折射率应满足n 1＜n 2C ．从左端面入射的光线，其入射角θ必须大于某值，全部光才能被传导 D. 从左端面入射的光线，其入射角θ必须小于某值，全部光才能被传导解析：选AD 光纤通信是利用光的全反射原理来工作的，光只有从光密介质进入光疏介质中时，才能发生全反射，因而内芯和外套的折射率应满足n 1＞n 2。