2017-2018学年高中物理第四章光的折射第3讲光的全反射学案教科版

第3讲 光的全反射

[目标定位] 1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.2.理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.3.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用．

一、全反射现象 1．光密介质和光疏介质

(1)对于两种介质来说，光在其中传播的速度较小的介质，即折射率较大的介质叫光密介质；光在其中传播的速度较大的介质，即折射率较小的介质叫光疏介质．

(2)光疏介质和光密介质是相对的．

2．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． 二、全反射条件 1．全反射的条件

(1)光需从光密介质射至光疏介质的界面上． (2)入射角必须等于或大于临界角． 2．临界角

(1)定义：光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的入射角，称作这种介质的临界角．

(2)临界角C 与折射率n 的关系：sin C ＝1

n

.

想一想 当光从水中射入玻璃的交界面时，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．要发生全反射必须光从光密介质射入光疏介质．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．

三、全反射的应用——光导纤维

1．光纤的工作原理：由于有机玻璃的折射率大于空气的折射率，当光从有机玻璃棒的一端射入时，可以沿着有机玻璃棒的表面发生多次全反射，从另一端射出．

2．光导纤维的构造：由两种折射率不同的玻璃制成，分内、外两层，内层玻璃的折射率比外层玻璃的折射率大．当光从一端进入光纤时，将会在两层玻璃的界面上发生全反射．

3．光纤通讯的优点是容量大，衰减小，抗干扰能力强、传播速率高.

一、对全反射的理解

1．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． (2)光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中传播速度小．

(3)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．

(4)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． 2．全反射

(1)临界角：折射角为90°时的入射角称为全反射的临界角，用C 表示，sin C ＝1

n

.

(2)全反射的条件：①光由光密介质射向光疏介质；②入射角大于或等于临界角． (3)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．

例1 关于全反射，下列叙述中正确的是( ) A ．发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱 B ．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象 C ．光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象 D ．光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象

解析 发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以选项A 错误；发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，二者缺一不可，所以选项B 、D 错误，选项C 正确．

答案 C

针对训练 已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按下面几种方式传播，可能发生全反射的是( )

A ．从水晶射入玻璃

B ．从水射入二硫化碳

C ．从玻璃射入水中

D ．从水射入水晶

解析 根据发生全反射的条件，必须满足从光密介质射向光疏介质，故选项C 正确． 答案 C 二、光导纤维

1．原理：内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射． 2．优点：容量大、衰减小、抗干扰能力强、传播速率高等． 3．应用：光纤通信；医学上的内窥镜．

例2 光导纤维的结构如图1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1

A ．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射

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 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，A 对．

答案 A

三、全反射的定量计算

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从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，根据sin C ＝1

n

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(如三角函数、反射定律等)进行判断推理、运算及变换．

例3 如图2所示为一圆柱中空玻璃管，管内径为R 1，外径为R 2，R 2＝2R 1.一束光线在圆柱横截面内射向玻璃管，为保证在内壁处光不会进入中空部分，问入射角i 应满足什么条件？

图2

解析 光路图如图，设第一次折射的折射角为r ，全反射临界角为C ，折射率为n ，由折射定律有n ＝sin i sin r ，sin C ＝1n ；在图的三角形中，由数学知识可得：

－C

R 2

＝

sin r

R 1

.综上解得：i ＝30°，所以为保证在内壁处光不会进入中空部分，入射角i 应满足

i ≥30°.

答案 i ≥30°

对全反射的理解

1．(多选)光在某种介质中的传播速度是1.5×108

m/s ，光从该介质射向空气时( ) A ．介质的临界角是30°

B ．大于或等于30°的所有角都是临界角

C ．入射角大于或等于30°时都能发生全反射

D ．临界角可能是60°

解析 由n ＝c v ＝3×1081.5×108＝2，sin C ＝1

n

知临界角C ＝30°，所以A 、C 正确．

答案 AC

全反射的应用及定量计算

2.空气中两条光线a 和b 从虚线方框左侧入射，分别从虚线方框下方和上方射出，其框外光线如图3所示．虚线方框内有两个折射率n ＝1.5的玻璃全反射棱镜，下图给出了两棱镜四种放置方式的示意图．其中能产生图3 效果的是( )

图3

解析 四个选项产生光路效果如图：

由图可知B 项正确． 答案 B