光的反射、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12sin 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 nθθ=，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：12sin 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．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 =．5．应用全反射解决实际问题的基本方法（1）确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质．（2）若光由光密介质进入光疏介质时，则根据1sin Cn确定临界角，看是否发生全反射．（3）根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”．（4）运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理，运算及变换进行动态分析或定量计算．6．应用全反射解释自然现象（1）对“海市蜃楼”的解释：由于光在空气中的折射和全反射，会在空中出现“海市蜃楼”．在海面平静的日子，站在海滨，有时可以看到远处的空中出现了高楼耸立、街道棋布、山峦重叠等景象．这种景象的出现是有原因的．当大气层比较平静时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小，海面上空的空气温度比空中低，空气的折射率下层比上层大．我们可以粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层，如图所示，下层的折射率较大．远处的景物发出的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较低的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角大到临界角时，就会发生全反射现象．光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较低的下一层．在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像．这就是海市蜃楼的景象．如图所示．（2）对沙漠上、柏油路上的蜃景的解释：在沙漠里也会看到蜃景，太阳照到沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小．从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射．人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒景（如图），仿佛是从水面反射出来的一样．沙漠里的行人常被这种景象所迷惑，以为前方有水源而奔向前去，但总是可望而不可即．在炎热夏天的柏油马路上，有时也能看到上述现象．贴近热路面附近的空气层同热沙面附近的空气层一样，比上层空气的折射率小．从远处物体射向路面的光线，也可能发生全反射，从远处看去，路面显得格外明亮光滑，就像用水淋过一样．（3）水或玻璃中的气泡为何特别明亮？由图可知，也是光线在气泡的表面发生全反射的结果．7．光纤通信全反射现象在通信中有、重要的作用，光导纤维之所以能传光、传像，就是利用了光的全反射现象，光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1m 100m μμ～．如图所示，它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端进入，在两层的界面上经多次全反射，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）此导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以以传输图像．要点三、测定玻璃砖的折射率1．实验目的（1）明确光通过玻璃时的入射角、折射角．（2）掌握测定玻璃折射率的方法．2．实验原理如图所示abcd 为两面平行的玻璃砖．入射角为1θ和折射角为2θ，据12sin sin n θθ=计算出玻璃的折射率．3．实验器材白纸，图钉，大头针，直尺，铅笔，量角器，平木板，长方形玻璃砖．4．实验步骤及调整安装（1）把白纸用图钉钉在木板上．（2）如图所示，在白纸上画一条直线aa ＇作为界面，画一条线段AO 作为入射光线，并通过O 点画出界面aa ＇的法线NN ＇．（3）把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边跟aa ＇对齐，并画出玻璃砖的另一个长边bb ＇． （4）在AO 线段上竖直的插上两枚大头针12P P 、．（5）在玻璃砖的bb ＇一侧竖直地插上大头针34P P 、，调整眼睛视线，使3P 能同时挡住1P 和2P 的像，使4P 能挡住P ３本身和1P 和2P 的像．（6）记下34P P 、的位置，移去玻璃砖和大头针，过34P P 、引直线O B ′与bb ＇交于O ＇，连接OO ＇，OO ＇就是玻璃砖内的折射光线的路径，入射角1AON θ=∠，折射角2O ON θ=∠'＇． （7）用量角器量出入射角θ１和折射角θ２的度数．（8）从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值，记入自己设计的表格里．（9）用上面的方法分别求出入射角为15304560︒︒︒︒、、、和75︒时的折射角．查出入射角和折射角的正弦值，把这些数据也记在表格里．（10）算出不同入射角时12sin sin θθ的值．比较一下，看它们是否接近一个常数，求出几次实验中测的12sin sin θθ的平均值，就是玻璃的折射率． 5．注意事项（1）用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面，严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb ＇．（2）实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动．（3）大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针1P 与2P 、P ３与4P 间的距离应大一些，以减少确定光路方向时造成的误差．（4）实验时入射角不宜过小，否则会使测量误差大，也不宜过大，否则在bb ＇一侧看不到12P P 、的像．（5）由于要多次改变入射角重复实验，所以人射线与出射线要一一对应编号，以免混乱．（6）玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm 以上．若宽度太小，则测量误差较大．6．数据处理及误差分析此实验是通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入12sin sin n θθ=中求玻璃的折射率．除运用此方法之外，还有以下处理数据的方法． （1）处理方法一：在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O 为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AD 交于C 点，与OO ＇（或OO ＇的延长线）交于D 点，过C D 、两点分别向N N ＇作垂线，交N N ＇于C D 、′′，用直尺量出CC ＇和DD ＇的长．如图所示．由于 1'sin CC CO θ=，2'sin DD DO θ=， 而CO DO =，所以折射率：112sin 'sin 'CC n DD θθ==． 重复以上实验，求得各次折射率计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值．（2）处理方式二：根据折射定律可得 12s i n s i n n θθ=． 因此有 211sin sin nθθ=． 要点诠释：在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角上，以1sin θ值为横坐标、以2sin θ值为纵坐标，建立直角坐标系，如图所示．描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线．求解图线斜率，设斜率为k ，则1k n=，故玻璃砖折射率1n k =． 7．方法推广插针法的作用是找出玻璃砖内的光路，其关键是确定入射点和出射点，而入射点和出射点是利用插针后确定的直线与界面相交而得到的，故实验的关键是插准大头针，画准玻璃砖边界线，而与所选玻璃砖两边平行与否无关．如用半圆形、圆形或三角形玻璃砖，均可测出其折射率，光路如图所示．【典型例题】类型一、光的反射和折射例1．如图所示，光线以入射角1θ从空气射向折射率n =（1）当入射角145θ=︒时，反射光线与折射光线间的夹角θ为多少？（2）当入射角1θ为多少时，反射光线和折射光线垂直？【思路点拨】根据题意画出正确的光路图，利用几何关系确定光路中的边、角关系，要注意入射角、折射角的确定，利用反射、折射定律求解。