高中物理第4章光的折射与全反射第2、3节光的全反射光导纤维及其应用教学案鲁科版4

第2、3节光的全反射__光导纤维及其应用1．光疏介质和光密介质是相对的，区分光疏介质和光密介质要看两种介质折射率的大小关系。

2．光从光密介质射向光疏介质，且入射角达到临界角时，将发生全反射，全反射是一种特殊的光学现象。

3．全反射现象在日常生活中有很多应用，如光导纤维利用全反射来传输信号。

对应学生用书P42全反射及其产生条件1．光疏介质和光密介质的概念两种不同的介质，折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫做光密介质。

2．全反射现象(1)全反射及临界角的概念：①全反射：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质的现象。

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：①光从光密介质射入光疏介质。

②入射角大于等于临界角。

(3)临界角与折射率的关系：①定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝1n(公式)。

②定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射。

[跟随名师·解疑难]1．光疏介质和光密介质的比较光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大2．对全反射的理解(1)全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化的角度加以理解。

当光线从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射。

(2)全反射遵循的规律：光由光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律。

有关计算仍可依据反射定律进行。

(3)光从光密介质射向光疏介质时，只要入射角大于或等于临界角C，一定会发生全反射现象。

[特别提醒](1)光疏介质、光密介质是两种介质相比较而言的，只有一种介质，无法确定它是光疏介质还是光密介质。

(2)分析光的全反射时，关键是根据临界条件画出恰好发生全反射的光路图，再利用几何知识分析边角关系。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)光从一种介质射到另一种介质时，发生了全反射，则全反射发生在( )A．折射率较小的介质中B．折射率较大的介质中C．光速较大的介质中 D．入射角小于临界角解析：选B 光从光密介质射到光疏介质才可能发生全反射，且要求入射角大于或等于临界角，而光密介质的折射率大、光速小。

对全反射现象的解释1.(1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是由于光射到气泡上发生了全反射。

(2)在沙漠里，接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率小，从远处物体射向地面的光线的入射角大于临界角时发生全反射，人们就会看到远处物体的倒影。

2．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，光射出棱镜时，传播方向改变了90°。

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°。

③全反射棱镜的反射性能比镀银的平面镜更好。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)空气中两条光线a 和b 从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图4­2­1所示。

方框内有两个折射率n ＝1.5的玻璃全反射棱镜。

图4­2­2中给出了两棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生图4­2­1效果的是( )图4­2­1图4­2­2解析：选B 画出入射光线与出射光线反向延长线的交点则为发生全反射的位置，再根据光的传播方向的变化，可知B 正确。

光导纤维及其应用1．原理利用了全反射原理。

2．构造光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成。

内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。

3．应用光纤通信先将声音信号转换为光信号，利用光纤把光信号输出；到接收端再将光信号还原为声音信号。

4．主要优点容量大、能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等。

[跟随名师·解疑难]1．理解光导纤维的工作原理(1)全反射是光导纤维的基本工作原理。

全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于或等于临界角。

临界角C 的大小满足：sin C ＝1n。

(2)光导纤维的构造就是为了满足光的全反射。

光纤一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成。

光在光纤内传播时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角i≥C(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射。

实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，在内芯和外套的界面上发生全反射，如图4­2­3所示。

图4­2­32．光纤通信光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为载体来传递信息。

载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)光导纤维的结构如图4­2­4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4­2­4A．内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射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上发生全反射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上发生折射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：选A 光导纤维内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射，从而使载有声音、图像以及各种数字信号的激光在光纤中远距离传递，故只有A 对。

对应学生用书P43对全反射现象的考查1．在厚度为d、折射率为n的大玻璃板下表面，有一个半径为r的圆形发光面。

为了从玻璃板的上方看不见这个圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一块圆形纸片，问所贴纸片的最小半径应为多大？[思路点拨] 画光路图―→确定临界角―→求最小半径解析：根据题意，光路图如图所示，图中S点为圆形发光面边缘上的一点。

由该点发出的光线能射出玻璃板的范围由临界光线SA确定，当入射角大于临界角C时，光线就不能射出玻璃板了。

图中Δr ＝d tan C ＝d sin C cos C， 而sin C ＝1n ，则cos C ＝n 2－1n， 所以Δr ＝d n 2－1。

故应贴圆纸片的最小半径R ＝r ＋Δr ＝r ＋d n 2－1。

答案：r ＋d n 2－1[探规寻律]解答这一类问题要抓住折射定律和发生全反射的条件。

而解决全反射问题的关键为：(1)准确地作出光路图。

(2)抓住特殊光线的分析，尤其是正确找出边界光线。

如果发生全反射，则刚好发生全反射的临界光线就是边界光线。

(3)正确利用几何知识或结合临界角与折射率的关系解决。

[跟踪演练]如图4­2­5，半圆形玻璃砖置于光屏PQ 的左下方。

一束白光沿半径方向从A 点射入玻璃砖，在O 点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带。

若入射点由A 向B 缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O 点，观察到各色光在光屏上陆续消失。

在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是( )图4­2­5A ．减弱，紫光B ．减弱，红光C ．增强，紫光D ．增强，红光解析：选C 光在传播时随入射角增大，反射光能量增强，折射光能量减少。

根据能量守恒定律可知，当折射光线变弱或消失时反射光线的强度将增强，故A 、B 两项均错；在七色光中紫光频率最大且最易发生全反射，故光屏上最先消失的光是紫光，故C 项正确，D 项错误。

光导纤维的工作原理[典题例析]2．由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体。

要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多大？[审题指导]第一步 抓关键点 关键点 获取信息 光导纤维 工作原理：全反射 光束不会侧漏光束在侧壁发生全反射第二步 找突破口“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题。

解析：设激光束在光导纤维端面的入射角为i ，折射角为α，折射光线射向侧面时的入射角为β，如图所示。

令入射角i ＝90°，光线刚好能在侧壁发生全反射。

由折射定律得n ＝sin i sin α，由几何关系得α＋β＝90°，则sin α＝cos β。

由全反射临界角的公式得sin β＝1n，则cos β＝1－1n 2。

又i ＝90°，则sin i ＝1，故n ＝sin i sin α＝sin i cos β＝11－1n 2＝n n 2－1，解得n ＝2。

故要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，光导纤维的折射率应满足n ≥2。

答案：n ≥ 2[探规寻律]一定要对光线变化过程进行分析，当入射角i 从零逐渐增大的过程中，折射角α也增大，折射光线入射到侧壁的入射角β是减小的，如果当i 增大到90°时，仍有β大于或等于临界角，题目要求就能满足，其临界条件是i ＝90°，β＝arcsin 1n。

找不出这个条件，就无法入手解答。

[跟踪演练]如图4­2­6所示，是两个城市间的光缆中的一条光导纤维的一段，光缆总长为L ，它的玻璃芯的折射率为n 1，外层材料的折射率为n 2。

若光在空气中的传播速度近似为c ，则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程中，则下列判断中正确是( )图4­2­6A ．n 1＜n 2，光通过光缆的时间等于n 1L cB ．n 1＜n 2，光通过光缆的时间大于n 1L c C ．n 1＞n 2，光通过光缆的时间等于n 1L c D ．n 1＞n 2，光通过光缆的时间大于n 1L c解析：选D 光从光密介质射入光疏介质，才可能发生全反射，故n 1＞n 2；光在内芯传播的路程s ＝L sin θ，光在内芯的传播速度v ＝c n 1，所以t ＝s v ＝n 1Lc ·sin θ，故D 正确。

对应学生用书P44[课堂双基落实]1．在医学上，光导纤维可以制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部。

内窥镜有两组光导纤维，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行观察。

光在光导纤维中的传输利用了( )A ．光的折射B ．光的衍射C ．光的干涉D ．光的全反射 解析：选D 光导纤维简称光纤，是利用全反射的原理来传播光信号的，通常光纤是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射。