高中物理第十三章光第2节全反射讲义含解析新人教版选修3_420190412157

第2节全反射

1.光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角；反之，折射角大于入射角。

2．临界角：折射角为90°时的入射角。 3．发生全反射的条件：(1)光从光密介质射入光疏介质；(2)入射角大于或等于临界角。

4．光从介质射入空气(真空)时临界角与折射率的关

系：sin C ＝1

n

。

5．全反射棱镜和光导纤维都利用了光的全反射。

一、光疏介质和光密介质

1．全反射及临界角

(1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象。

(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角。用字母C 表示。 2．全反射的条件

要发生全反射，必须同时具备两个条件： (1)光从光密介质射入光疏介质。 (2)入射角等于或大于临界角。 3．临界角与折射率的关系

光由介质射入空气(或真空)时，sin C ＝1

n

(公式)。

三、全反射的应用

1．全反射棱镜

(1)形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。

(2)光学特性：

①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生全反射，光线垂直于另一直角边射出。

②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180°。

2．光导纤维及其应用

(1)原理：利用了光的全反射。

(2)构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外层透明介质两层组成。内芯的折射率比外层的大，光传播时在内芯与外层的界面上发生全反射。

(3)主要优点：容量大、能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等。

1．自主思考——判一判

(1)密度大的介质就是光密介质。(×)

(2)两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质。(√)

(3)光密介质和光疏介质具有绝对性。(×)

(4)光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射。(×)

(5)光从水中射入空气中时一定能发生全反射。(×)

(6)光纤通信的主要优点是容量大。(√)

2．合作探究——议一议

(1)水是光密介质还是光疏介质？

提示：光密介质和光疏介质是相对的，与折射率大的比是光疏介质，如与水晶相比；与折射率小的比是光密介质，如与空气相比。

(2)为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？

提示：水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮。

1.光疏介质和光密介质的理解

(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)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．全反射现象 (1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)临界角

①定义：刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角为全反射的临界角，用C 表示。 ②表达式：光由折射率为n 的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反射，则折射角恰

好等于90°，n ＝sin 90°sin C ，即sin C ＝1

n 。

③不同色光的临界角：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。

[典例] [多选]如图所示，一束入射光AO 从某种介质以入射角α射入空气，以O 点为圆心，R 1为半径画圆C 1，与折射光线OB 交于M 点，过M 点向两介质的交界面作垂线，与入射光线AO 的延长线交于N 点，以O 点为圆心，ON 为半径画另一个圆C 2，测得该圆的半径为R 2，下列判断正确的是( )

A ．该介质的折射率为R 2R 1

B ．若光由介质射入空气发生全反射，则临界角的正弦值为sin

C ＝R 1R 2

C ．若过圆C 1与界面的交点

D 作界面的垂线交圆C 2于P 点，则OP 与法线所夹的锐角等于

全反射的临界角

D ．若入射光的强度保持不变，逐渐增大入射角α，则折射光的强度将逐渐增加 [审题指导] 解答本题时应从以下三点进行分析： (1)依题意画出光路图，明确几何关系。 (2)熟练掌握折射定律和临界问题。 (3)利用三角函数进行几何量的计算。

[解析] 由图可知，介质的折射率n ＝sin β

sin α，而sin β＝OE

R 1

，sin

α＝OE R 2

，得n ＝R 2R 1

，A 正确；全反射的临界角sin C ＝1n

，sin C ＝R 1

R 2

，B

正确；过D 作DP ，sin ∠OPD ＝R 1R 2

，故∠OPD ＝∠C ，因而C 选项正确；当α增大时，折射光强度应减弱，D 错。

[答案] ABC

解答全反射类问题的技巧

(1)光必须从光密介质射入光疏介质。 (2)入射角大于或等于临界角。

(3)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在作光路图时比例与实际相符，这样更有利于问题的分析。

1．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，如果光按以下几种方式传播，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：选C 发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故只有C 正确。

2．在水底的潜水员看来，水面上方的所有景物只出现在顶角为97°的倒立圆锥里，这是因为( )

A ．水面上远处的景物反射的阳光都因为全反射而不能进入水中

B ．水面上远处的景物反射的阳光折射进入水中，其中折射角不可能大于48.5°

C ．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为全反射的原因不可能进入水中

D ．水面上方倒立圆锥之外的景物反射的阳光都因为折射的原因不可能进入潜水员的眼中 解析：选B 水的临界角为48.5°，只有光从水中射向空气中时才有可能发生全反射。