全反射

本节前言

第二节全反射

北宋著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中写到：夏天，在山东蓬莱、栖霞，从平静无风的海面上向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、宫室、城池、人物、车马等出现在空中，谓之海市蜃楼。我们在炎炎夏日，行走在柏油路面上的话，也常能看到前方不远处一片潮湿，路灯花池的倒影清晰可见，可到了那儿依旧是滚烫的路面，一丁点水也没有。这些虚无飘渺的蜃景是怎样形成的呢？具备怎样的科学道理呢？这节内容将会带我们去探索这一神奇现象的形成根源，知道全反射的形成条件；并通过水流实验来让我们认识光导纤维，从而进一步了解它在医学、工业、国防科技、通讯领域中的广泛应用。

§1.2全反射

我们常用“井底之蛙”、“坐井观天”来形容人眼光狭窄，阅历短浅。可将桶里注满水后，这桶里之蛙所看到的“天”就非“昔日之天”了，它甚至能将水面上的世界一览无余呢！也许会游泳的你在水下也拥有过同样的感受吧！那么这是什么道理呢？

当光由光密介质射向光疏介质时，由折射定律可知，折射角大于入射角，我们称之为远线折射。反之，则称为近线折射。

再增大入射角，则反射光线，折射光线会如何传播呢？

接下来我们用激光发射器、光具盘、半圆形玻璃砖做的演示实验，注意观察相应的现象。相关知识点：海市蜃楼

灼热的太阳烘烤着一望无际的沙漠。一支干渴的驼队在沙漠中艰难的行进着。突然在远方地平线上，奇迹股的出现了一个大湖，湖面闪烁着耀眼的银光，在湖边还有一些苍翠的棕

榈树，它们在水面下映出秀丽的倒影，这是多么让人心怡的景色啊！它给干渴的驼队带来了希望。可正当人们满怀希望奔跑过去时，它却又奇迹股地消失了。

这样的一种幻景也常出现在海面上，如水手们常传说的“荷兰飞船”的故事中所说：当人们在海上航行的时候，在海面上突然出现一只飘忽不定的船队。它有时在你的一侧并行，似乎在暗中监视着你；有时它又忽然神秘地离你远去；有时，它又张帆对准你驶来。它不理睬你的任何信号，也没有一点声息，就在马上要和你相撞的时候，它又忽然消失得无影无踪了。

这幻景有时还会出现在天空，那城市、楼阁、来往行人、车辆在空中清晰可见。在无风的条件下，这种幻景能持续数小时之久。以前的人们误以为是天堂出现了。

在我国东部沿海，这种幻景情况也时常看到。在古代中国的学者认为这是一种海里的怪兽吐出的气化成的，这种怪兽叫蜃，形体十分巨大。所谓海市蜃楼，指的就是海中的街市和蜃气所结成的楼宇。由于当初人们缺乏科学知识，故对这种现象感到十分神秘和害怕。

下面我们来看一下动画演示，来了解海市蜃楼的成因。

右图：2001年8月4日18时25分，

记者看到在距敦煌市以西南40公里的沙漠

上出现海市蜃楼，这幻景中的城市经仔细辨

认后确定是阿克塞县城。此城距敦煌西南

80公里，两城之间全部是沙漠，阿克塞是

一座在沙漠中新建的城市。

右图：2004年2月3日中午，烟台山出现

罕见的海市蜃楼奇观，人间仙境蓬莱阁清晰

浮现在烟台山上，引得人们驻足观望。

全反射

在该实验过程中，随着入射角的不断增大，反射光线逐渐增强，折射光线逐渐减弱，如继续增大入射角，则出现折射光线完全消失，入射光线全部被反射回去的现象。

入射光线在介质分界面上被全部反射的现象称为光的全反射。

由实验影片，大家思考一下，要有全反射现象发生，若光线是从空气射向玻璃砖，行吗？试着用光路可逆来思考。另外，由此实验可看出，要发生光的全反射现象，对入射角该有怎样的要求？

折射角等于900时的入射角称为临界角。用i c表示。

由实验我们体会到：在入射角为临界角时，折射光线正好完全消失，光线正好开始全部被反射回头，这是由反射转为全反射时的临界状态。可见，临界角是反射向全反射转变过程中的关节点。

接着我们参见右侧的“光的全反射动画”来学习如何求临界角。

设介质折射率为n，求光由该介质射向空气（或真空）时的临界角i c

由折射定律：sin i c /sin900 = 1/n得 sin i c = 1/n则i c=arcsin(1/n)

只要知道物质的折射率，我们就可以用

sin i c = 1/n

来求出光从这种介质射到空气（或真空）时的临界角。

全反射

表：几种介质对空气的折射率和临界角

至此：由实验表明，要发生光的全反射现象必须满足两个条件

全反射条件：（1）光要由光密介质射向光疏介质

（2）入射角等于或大于临界角

日常现象举例：

光的全反射现象在自然界中是很普遍的，象水和玻璃中的气泡看上去特别明亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时在界面上发生了全反射；清晨小露珠在晨光下耀眼夺目，是由于清晨时太阳光入射角比较大，在露珠下表面发生了全反射，如右图，当眼睛迎着出射光看去时，就会觉得小露珠特别明亮。

图为：在阳光的照射下，洒水器

喷射出的水珠格外明亮。此即为全反射

的结果

【鱼眼里的世界】鱼在水中看到的天空究竟是怎样的呢？

水面上方的光线在水面上发生折射现象，其进入鱼眼的边缘光线即为：在空气中以900角入射的光线折射进水中而被鱼眼接受的光线。水的折射率为1.33，由求临界角的方法可知对应的折射角为48.60。因此，鱼在水下所看到的天空是一个小圆圈，一个收缩的天空，它包括水面上整个空间，范围丝毫不小。其视角为97.20。由此本节开始所提的水桶中的青蛙比空桶中的青蛙更“见多识广”也就不难回答了。

光导纤维

【水流实验】我们在矿泉水瓶中装满水，在侧壁下面部位开一小孔，用一束激光沿水平方向从瓶的另一侧射向小孔，通过实验我们观察到了很有趣的现象。从小孔里射出来的光束竟然在水流内部传播，这水流变成了传光的管子。这个实验能启发我们，是不是可以用其它材料代替水流，让其成为传光的导线呢？结果有人用玻璃代替水流做了相应的实验，其效果比水流更好。

光导纤维：光导纤维简称光纤，是运载光束的细小玻璃或塑料纤维丝。

原理简介：光导纤维是近20年来发展很快的一种新型光学材料。它以石英为基

本材料，一般由内外两层组成，里面为纤芯，是一根比头发丝还要细的石英丝，直径

只有几微米到100微米左右，外面一层为包层，是比纤芯折射率小的材料（如石英）

制成，在包层之外，再覆盖一层塑料护套，以保护光纤。光从纤芯射向包层时，在其

分界面上发生全反射现象。经反复多次的全反射，光线在纤芯内沿锯齿形路线从一端

传至另一端，光导纤维就成了一根传光的管子。

光纤应用

如果把许多光纤聚集成束，并有序地排列成一个方阵，使其两端相对应，就可以传递图像了。光纤的主要应用介绍如下几个方面：