光全反射临界角

课题：§光的全反射 临界角 [教学目标]

一、知识目标：1、了解光的全反射现象及全反射的应用； 2、理解临界角的意义及发生全反射的条件。

二、能力目标：会根据发生全反射的条件判断光在两种介质界面能否发生全反射，并会计算临界角。现象

三、素质目标：通过学习全反射现象的应用，培养学生把理论知识和生产技术相结合的能力。 [教学重点]

临界角的意义，临界角的计算。 [难点分析]

光在两种介质界面能否发生全反射的判断及全反射的光路图。 [分析学生]

全反射是学生以前没有接触过的知识。弄不清根据两种介质折射率大小的比较，判断发生全反射的方向。 [教学设计思路]

因学生以前没有接触过全反射知识，所以要复习光疏、光密介质的意义，并根据公式n 1sin α =n 2sinγ 说明光线由光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角，引入课题。再通过演示实验分析发生全反射的条件，总结出全反射规律。

[教学资源]

实验仪器：激光器、光具盘。 参考资料：蜃景的成因和规律

夏天，在气压恒定的海面上，空气密度随高度增加而减小，对光的折射率也随之减小 从而形成具有折射率梯度的空气层。当光线通过此空气层时，将发生偏转。如图所示，设一束从远处景物A 发出的光线a 以入射角α由折射率为n 处射入空气层。由折射定律有：

n sin α=n 1sin γ1 (1) n 1sin γ1=n 2sin γ2 (2)

联立（1）、（2）式可得：n sinα=n 2sin γ2依此类推：n sinα=n i sin γi , αγsin sin i

i n n

=

可见，当n 、α一定时，从下层空气进 入上层空气的入射角不断增大，当入射角 增大到等于由某两层（n i 层和n i +1层）空

气的折射率决定的临界角时，i

i i n n 1sin +=γ，

就会发生全反射。

人在C 处逆着C 光线看，可看到经全

反射形成的倒立虚像；在B 处逆着b 光线 看，也可看到经折射形成的正立虚像。 总之。若人在较高处，看到的蜃景是 由折射形成的正立虚像；若人在较低处， 看到的蜃景是由折射和全反射形成的倒立

虚像。 图1 蜃景的成因 [课时安排]

1课时

C

1 i

[教学过程]

导入新课：

复习提问：什么是光疏介质？什么是光密介质？

答：1、光疏介质:两种介质中折射率较小的介质叫做光疏介质。

2、光密介质:两种介质中折射率较大的介质叫做光密介质。 速大角大为光疏，速小角小为光密。

师:1、光疏介质、光密介质是相对而言的。只有对给定的两种介质才能谈光疏介质与光密介质。没有绝对的光密介质。

例如：水、玻璃和金刚石三种介质比较，n 水＝1.33 n 玻璃＝1.5 n 金刚石＝2.42。 对水而言，玻璃是光密介质；但对金刚石而言，玻璃则是光疏介质。

2、光疏介质与光密介质的界定一般是以折射率为依据的,与介质的其它属性(如密度等)无关。例如：水和酒精，n 水＝1.33＜n 酒精＝1.36，酒精相对于水而言是光密介质，但ρ水＞ρ酒。

根据折射定律公式：n 1sin α =n 2sinγ，我们可以得出光在折射率大的介质中，光线与法线的夹角小，在折射率小的介质中，光线与法线的夹角大。当光由折射率大的光密介质射入折射率小的光疏介质时，折射角大于入射角，由此可以预料，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°。如果入射角再增大，会出现什么现象呢？请看实验。

新课教学：

演示实验：让光线沿着半圆形玻璃砖的半径射向半圆面上，在半圆面上的入射角为零，光线沿直线射向圆心，在半圆玻璃砖和空气的平面界面上发生反射、折射。

转动光具盘，让入射角逐渐增大，我们看到折射角也随着增大，而且折射角总是大于入射角。我们还发现：当入射角逐渐增大时，反射光线也逐渐增强，折射光线逐渐减弱。当入射角增大到某一角度时，折射角接近90°，折射光线几乎沿界面前进，而且很微弱。反射光线凡乎和入射光线一样明亮，如果再增大入射角，就看不到折射光线了，只能看到玻璃中的折射光线。即光线全部被反射到玻璃中。

入射光线在介质分界面上被全部反射的现象，叫做全反射。折射角等于90°时的入射角称为临界角。

一、光的全反射

1、光的全反射：入射光线在介质分界面上被全部反射的现象，叫做光的全反射。

2、临界角；折射角等于90°时的入射角称为临界角。 由以上讨论可见，发生全反射必须具备两个条件：

3、发生全反射的条件： (1)光从光密介质射入光疏介质；

(2)入射角大于临界角。 怎样求出临界角呢？ 二、临界角计算公式

根据临界角的定义，可以求出光从折射率为

n 1的光密介质进入折射率为n 2的光疏介质时的临界角。设入射角为α0时，折射角为90°，如图所示，由折射定律可得

所以

12090sin sin n n =

α1

2

0sin n n =α

由上式可见，光疏介质的折射率n 2越小，光密介质的折射率n 1越大，发生全反射的临界角越小，即越容易发生全反射。由上式计算出α0的正弦值后，查三角函数表得α0值，或从计算器上查得α0值。

当光从折射率为n 的某种介质射入真空（空气）时，临界角计算公式为

表1-2几种物质对真空(空气)的临界角

全反射在技术上应用很广，例如用全反射棱镜可制造潜望镜；利用光导纤维传光、传像

等.下面我们对光导纤维的构造原理和应用作简略的介绍。

三、光导纤维

光导纤维的直径比头发丝还细，它由芯线和包层组成，芯线比包层材料的折射率大得多。一般通信光纤的直径约5μm ～10μm ，芯线的折射率约为1.8，包层材料的折射率约为1.4。

1、光导纤维的结构：由芯线和包层组成，芯线比包层材料的折射率大得多。 当光在芯线中传播时，在芯线和包 层界面上发生全反射，使光在弯曲的光 导纤维内经多次全反射而传到另一端， 如图所示。

2、光导纤维的作用：利用全反射 使光沿着弯曲的路经传播。

如果把许多有序排列的光导纤维

聚集成束，就可以用来传递图像(图1-9)。 工业和医学上用光导纤维束制成的内窥镜， 可以对机械或人体内部进行检查和诊断。

目前光导纤维在国防、通信和自动控 制等许多领域里得到日益广泛的应用。国 内各大城市及西南、西北等边远地区都已 敷设了光纤通信线路。

3、光导纤维的应用：光纤通信、传递图像——内窥镜、光纤输电。

光纤输电 近年来，人们已开始研究用光纤传送电能的问题。这是因为用光纤传输电能相对于传统的用金属导线输电，不仅能大大降低电网的造价，还具有安全可靠、节约有色金属和延长电网使用周期等独特的优点。

目前，美国拉里安公司在用光纤输电方面取得突破性成就，原因在于他们对光纤输电中两个难点的突破：(1)在光纤输电的发送端，该公司用激光二极管使电能转化为光能的问题得到解决；(2)在接收端，解决了光能还原为电能的问题。

n

1sin 0=

α