高中物理 第4章 光的折射与全反射 第2节 光的全反射 第3节 光导纤维及其应用知识导航素材 鲁科版选修3-4

第2节光的全反射

第3节光导纤维及其应用

思维激活

动手做下面的“水流导光”小实验:将饮料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出.用激光笔水平射向饮料瓶水孔出水处（图4-2-1），观察光的传播路径.你发现了什么奇特的现象？

图4-2-1

提示:观察到整个水流都亮了，激光束并没有沿直线穿出弯曲的水流射向空气，这是由于激光在水柱与空气界面上多次发生全反射的结果.光导纤维也正是根据这一原理制作的.学完了本节的内容后，你就能领悟其中的奥妙了.

自主整理

一、全反射及其产生条件

1.当光由____________介质入射到____________介质中时，折射角大于入射角，当角____________增大到一定程度时，____________光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质内，这种现象称为全反射.

2.刚好发生全反射，即折射角变为____________时的____________角，叫全反射的临界角.

3.发生全反射的条件是：（1）光由_________射入_________；（2）入射角_________临界角.

二、对全反射现象的解释

1.自然界中常见的全反射现象有：（1）海水的浪花呈现____________；（2）水中的气泡____________；（3）炎热夏天的柏油路面显得格外____________，等等.

2.全反射棱镜的截面是____________三角形，当光垂直于直角边射向棱镜时，光的传播方向改变了____________角，当光垂直于斜边射向棱镜时，光的传播方向改变了____________角.

三、光导纤维及其应用

1.光导纤维是由折射率____________的玻璃内芯和折射率____________的外层透明介质组成的.

2.光纤通信是光导纤维的一个重要应用，光纤通信先将声音信号转换为____________，利用光纤把输出____________；到接收端再将____________还原为____________.

高手笔记

1.对光的全反射的理解.

（1）光的全反射是光从光密介质进入光疏介质时，折射光线消失，只剩下反射光线的现象.

(2)全反射是光的折射的特殊现象，光的反射定律适用于全反射.

(3)发生全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角.

（4）极限方法的正确运用是解决全反射问题的关键，全反射棱镜与光导纤维的分析需结合实际问题，画出光路图，借助几何关系分析解释.

2.应用全反射解决实际问题的基本方法

（1）确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质.

（2）若光由光密介质进入光疏介质，则根据sinC=

n

1确定临界角，看是否发生全反射.

（3）根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”.

（4）运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理，运算及变换进行动态分析或定量计算.

名师解惑

1．如何理解光疏介质和光密介质？

剖析:（1）光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义.例如：水晶

（n=1.55）对玻璃（n=1.5）是光密介质，而对金刚石来说（n=2.427），就是光疏介质.同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的.

（2）光若从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角.

（3）光疏和光密，是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小.例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质.

（4）光疏介质和光密介质的比较

光疏介质和光密介质的比较表

光的速度折射率

光疏介质大小

光密介质小大

2．光导纤维的物理原理是什么？

剖析：全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）.光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质.光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射.这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够从另一个端面射出.如图4-2-2所示，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像.如果把许多（上万根）光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传输图像.

图4-2-2

讲练互动

【例题1】如图4-2-3所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则（）

A.只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象

B.只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象

C.不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象

D.不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象

解析：在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不发生全反射现象，则选项C正确.在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，因此入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D也正确.综上可知，选项C、D正确.

答案：CD

黑色陷阱

有的同学认为在界面Ⅱ，光由光密介质进入光疏介质，只要入射角足够大，就可能发生全反射现象.这是错误的，错误的原因在于孤立地讨论光在界面Ⅱ能否发生全反射现象，而没有认识到光是由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，到达界面Ⅱ时光的入射角等于在界面Ⅰ的折射角，它的大小是受到折射定律限制的，因此在界面Ⅱ上的入射角总是小于临界角.[=]

变式训练

1．关于全反射，下列说法中正确的是（）

A.发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线

B.光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象

C.光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象

D.水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生全反射

解析:全反射发生的条件是当光从光密介质射向光疏介质时，且入射角大于或等于临界角时发生的现象，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质.