高三物理第三册全反射

19.3全反射

【教学目的】

1、全反射现象及其发生条件

2、临界角的计算

3、全反射的应用

【教学重点】全反射现象及其发生条件

【教学难点】综合光路可逆知识和三角函数常识求解临界角、理解发生全反射的条件

【教学难点】激光器、半圆形玻璃砖、模拟光导纤维

【教学过程】

○、复习&引入

复习启发：我们才作过“测定玻璃折射率”的实验，请同学们回忆一下，当入射角非常接近90°时，我们做实验观察时有什么感觉？

☆学生：比较难以看清P1和P2两颗针。

为什么会出现这种现象呢？还是让我们回到相关的物理学史。原来，物理学家们在探讨光的折射的方向规律时，也探讨过能量分配的规律。下表是斯涅尔测量的、光线从空气射入玻璃界面时，反射光和折射光的能量分配情况——

入射角入射光线能量为(100％) 反射光线能量折射光线能量

0°100％ 4.7％95.3％

30°100％ 4.9％95.1％

60°100％9.8％90.2％

80°100％39％61％

90°100％100％0％从这个表格的数据，同学们可以发现什么规律？

☆学生：随着入射角的增大，反射光的能量分配加大，而折射光的能量分配减小。

事实上，这种能量的分配情况在交换介质之后，还会出现更加有趣的情形——

一、全反射

为了方便表达全反射的规律，这里先介绍两个新的名词——

1、光疏介质和光密介质

光疏介质：两种介质中折射率较小的介质叫做光疏介质。

光密介质：两种介质中折射率较大的介质叫做光密介质。

很显然，这是一个通过相互比较得出的概念，所以没有绝对的光疏介质和绝对的光密介质。

示例：水和空气比较；水和金刚石比较…

提问1：光线从光疏介质传播到光密介质比较，传播速度会怎样变化？

☆学生：v疏＞v密

提问2：光线从光疏介质传播到光密介质比较，传播方向有什么规律？

☆学生：折射角小于入射角。（反之，折射角大于入射角。）

提问3：光密介质的密度是不是一定比光疏介质大？

☆学生：查“几种介质的折射率”表格，再做结论。

很显然，光疏和光密是相对光的传播而言，而与物质的密度没有必然联系。

过渡：刚才我们已经总结过了，光线从光密介质传播到光疏介质时，折射角总是大于入射角的，而当入射角增大时，反射角也会同时增大，这时，哪一个角先趋近90°呢？

☆学生：折射角。

趋近90°后，折射光线又怎样传播呢？ 下面看实验演示—— 演示：光的全反射实验

提请学生观察：a 、反射光和折射光的强度变化；b 、折射光的方向变化 提问：在强度方面，斯涅尔的研究是不是得到重现？ ☆学生：是的。

启发：入射角增大到一定的角度后，折射光还存不存在？

2、全反射：：当光从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角。当入射角增大到某一角度时，折

射角等于900，此时，折射光完全消失，入射光全部反回原来的介质中，这种现象叫做全反射。

全反射的物理意义：折射光的能量为零，入射光的能量全部等于反射光。

*全反射的数学意义：我们看一种简单的全反射情形——某介质（折射率为n ）到真空（或空气）。为了应用已经学过的折射定律，我们先假设它的可逆光路（参看图1）……然后，不难得出

参照21sin sin θθ=n 1，即sin θ2 = nsin θ1 ，显然，当θ1足够大

时，会

出现sin θ2＞1，θ2无解。

很显然，θ2有解和无解的临界情形是θ2 = 90°，此时θ1 =

arcsin

n

1。 3、临界角：为了显示这个角的特殊意义，我们给它一个特定

的字母C ，并将它称为临界角。

即 C = arcsin

n

1 有了临界角C ，我们就不难总结出全反射的条件——

光从光密介质进入光疏介质，当入射角i ≥C 时，发生全反射形

象，若入射角i ＜C 时，则不发生全反射，既有反射又有折射

形象。

那么，临界角的物理意义又是什么呢？当光线以相同的入射角从不同的介质射入真空（或空气），临

界角大的介质容易发生全反射还是临界角小的介质容易发生全反射？

☆学生：临界角小的。

那么，请同学们查一查“几种介质的折射率”表格，当光线从这些介质中射入真空（或空气），最容易发生全反射的介质是什么？

☆学生：金刚石。

事实上，钻石的璀璨、神秘的光芒正是由于光线在其中发生多次全反射的结果。此外，玻璃中的气泡显得特别明亮、露珠显得幽暗，这些都是全反射造成的。

过渡：人们研究全反射，除了解释一些物理现象外，还有什么别的价值吗？

二、光导纤维

光导纤维简称光纤，我们常听到的“光纤通信”就是利用的光线在光纤中的全反射原理。光线在光纤中是怎样发生全反射的呢？我们先看一个实验——

演示：光线在“模拟光纤”中的全反射。

提请学生观察：a 、玻璃棒周围有没有光线射出；b 、从玻璃棒末端射出的光强度和没有插玻璃棒时，光线从小孔射出时的强度。

总结：玻璃棒的侧面几乎没有光线射出；玻璃棒几乎“导出”的小空中所有光的能量。

形成这一现象的原因是什么呢？ 师生共同作图分析…见图2 。

启发：如果让这根玻璃棒继续弯曲下去——成为很多圈，以上的这种性质会改变吗？

☆学生：不会。

*思考启发：如果将玻璃棒的弯曲程度加大，以上的这种性质会改变吗？ ☆学生：会（在图2中的2处和4处可能不满足全反射的条件…）。 *但是，在弯曲程度加大的前提下，同时将玻璃棒做的很细，以上的

状况会有所改善吗？

☆学生：交流、作图…得出结论（会）。

我们都知道玻璃本来是非常坚硬的，但是有一种特制的玻璃丝，却可以做的非常柔软、非常细。现在，我们将这样的多根玻璃纤维捆绑成一束，然后，将首端的光照情况遵循某种规律，如图3，则在纤维束的末

端，会出现什么情况？

☆学生：呈现首端一样的规律。

同学们，这就是光导纤维传递信息的基本原理。

在传递信息的手段中，我们已经学过了机械传送、机械波传递、有限电流传递、无线电波传输等等。现在又出现一个光线传输，光纤传输有什么样的特点呢？

1、一维传输。能流密度不变；

2、作为电磁波，波段特别，抗干扰性强； 光导纤维应用的领域：医疗、通信… ☆学生：光导纤维的前沿知识阅读…

补充材料：如图所示，一透明塑料棒的折射率为n,光线由棒的一端面射入，当入射角i 在一定范围内变化时，光将全部从另一端面射出。当入射角为i 时，光在棒的内侧面恰好发生全反射。

由图可知，光在左端面折射时的折射角C r －2π=。

由折射定律得：C

i

r

i

n cos sin sin sin =

=

。故有：