光的全反射.光导纤维及其应用

五、光导纤维---光纤
内窥镜的结构
光导纤维在 医学上的应用
三、光导纤维
1．构造及传输原理
光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1
μm～10 μm左右．如图4－2－5所示，它是由
内芯和外层两层组成，内芯的折射率大于外层 的折射率，光由一端进入，在两层的界面上经 过多次全反射，从另一端射出．
图 4－ 2－ 5
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．
三、光导纤维及应用
1 ．光导纤维是由折射率 ___ 大 的玻璃内芯和折射 小 的外层透明介质组成的． 率___ 2．(1)光纤通信是光导纤维的一个重要应用，光
射角达到90°，折射光线完全消失的现象。 2、临界角：当光从光密介质射入光疏
介质时，折射角等于900时的入射角叫做 临界角。用C表示。
3.发生全反射的条件：
(1)光从光密介质射入光疏介质 (2)入射角等于或大于临界角
4、临界角C的大小：
法线 真空 界面 介质
0
C
sin 90 由折射定律可得： n sin C
2．对“沙漠蜃景”的解释
(1) 气候条件：夏天在沙漠里也会看到蜃景，太
阳照到沙地上，接近沙面的热空气层比上层空
气的密度小，折射率也小． (2)光路分析：从远处物体射向地面的光线，进 入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐 增大，也可能发生全反射．
(3)虚像的形成：人们逆着反射光线看去，就会 看到远处物体的倒景(如图4－2－3)，仿佛是从 水面反射出来的一样．沙漠里的行人常被这种 景象所迷惑，以为前方有水源而奔向前去，但
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景． 2．全反射棱镜 等腰直角 三角形的棱镜． (1)形状：截面为________
(2)光学特性
①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在 全反射 ，光射出棱镜时，传 截面的斜边上发生 ______
图 4－ 2－ 2
(2)光路分析：远处的景物反射的光线射向空中时，不断 被折射，射向折射率较小的上一层的入射角越来越大， 当光线的入射角大到临界角时，就会发生全反射现象， 光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折 射率较大的下一层． (3)虚像的形成：当光线进入人的眼睛时，人总认为光是 从反向延长线方向发射而来的，所以地面附近的观察者 就可以观察到虚像．且虚像成像于远处的半空中，这就 是“海市蜃楼”的景象．
第2节 光的全反射 第3节 光导纤维及其应用
水 界面
一、光疏介质和光密介质
玻璃
光疏介质:两种介质中折射率较小
的介质. 光密介质:两种介质中折射率较大
的介质.
练习1：根据表格回答问题
玻璃 金刚石 1.5~1.9 n＝2.42 （1）玻璃相对于水是 光密 介质 玻璃相对于金刚石是 光疏 介质 注意： “光密介质”和“光疏介质” 是
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． ________ (2)光导纤维的优点：质地轻、弯曲自如、传 光效率高、抗机械振动、耐腐蚀性好、能量损
耗小、抗干扰能力强、保密性好等．
空气层组成的，远处的景物发出的或反射的光 线由于不断折射，越来越偏离法线方向，人们 逆着光线看去就出现了海市蜃楼，如图4－2－4 所示，下列说法中正确的是( 图 4－ 2－ 4 )
A．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率 要小
B．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率
要大
C．海市蜃楼是景物的实像
着重观察：先后发生了什么现象和光线的亮暗 比较
二、全反射Leabharlann Baidu观察现象后回答： 随着入射角的逐渐增大的过程中
1.折射角逐渐 ； 增大 2.折射光线亮度逐渐 减弱 ； 增大 3.反射角逐渐 ； 4.反射光线亮度逐渐 增强 ； 5.当入射角增大到某一角度时， 折射光线消失 ，所有光线全部反射。
1、全反射定义：当光从光密介质射入光疏 介质时，入射角逐渐增大到某一角度时，折
2.某介质的折射率为√2，一束光从介质射向
空气，入射角为60°，如图1所示的哪个光 路图是正确的?[ D ]
3.劣质的玻璃中往往含有气泡.这些空气泡 看上去比较亮,对这一现象有下列不同的 解释,其中正确的是( D ) A空气泡对光线有聚集作用,因而较亮. B.空气泡对光线有发散作用.因而较亮. C.从空气泡到达玻璃的界面处的光一部分 发生全反射,因而较亮. D.从玻璃到达空气泡的界面处的光一部分 发生全反射,因而较亮.
4．水或玻璃中的气泡特别明亮
水或玻璃中的物体能被我们看见，是因为光照
射物体时，有一部分光被物体反射，其中的一 部分进入人的眼睛，引起视觉的缘故．
水或玻璃中的气泡对于水或玻璃来说是光疏介 质，光经水或玻璃照射气泡时，一部分光会发
生全反射，相对水或玻璃中的物体而言，有更
多的光反射到人的眼睛中，光的能量大了，人
4.在潜水员看来，岸上的所有景物，都出现在一个倒立的圆锥里， 为什么？这个圆锥的顶角是多大？
1 水的折射率为1.33 所以C=48.80 sin C n
则有圆锥顶角θ=2C=97.60
C
在水中的鱼看来，水 面上和岸上的所有景 物，都出现在顶角约 为97.6°的倒立圆锥里
小结
一、全反射及其产生条件 1．光疏介质和光密介质 较小的介质叫做 对两种不同的介质，折射率 ____ 较大 的介质 叫做光 密介 光疏介 质 ，折 射率 ____ 质． 2．全反射 光疏介质时，当入射角增 光密介质射向____ 光从____ 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．
总是可望而不可及． 图 4－ 2－ 3
3．炎热夏季的柏油马路路面看起来特别亮 在炎热夏季的柏油马路(或高速公路)上，会看到 远一点的路面上特别亮，像洒了水一样湿漉漉
的．这是因为贴近热路面附近的空气层稀薄，比
上层空气的折射率小．从远处射向路面的光线，
也可能发生全反射，从远处看去，路面就像用水
淋过一样，显得格外明亮光滑．沙漠中行走的人 在夏季会看到远方特别亮，就像有湖泊一样，与 柏油马路面看起来特别亮道理相同．
2.光纤通信
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．
巩固练习：
1。劣质的玻璃中往往含有气泡.这些空气 泡看上去比较亮,对这一现象有下列不同 的解释,其中正确的是( D ) A空气泡对光线有聚集作用,因而较亮. B.空气泡对光线有发散作用.因而较亮. C.从空气泡到达玻璃的界面处的光一部分 发生全反射,因而较亮. D.从玻璃到达空气泡的界面处的光一部分 发生全反射,因而较亮.
介质 折射率n
水 1.33
相对而言的，对其界定是以折射率为依据
的。光在光密介质中的传播速度比在光疏
介质中的小。
练习2：根据下列光路图回答问题
法线
介质A 界面 介质B A、B两种介质中介质 B 是光密介质
思考：逐渐增大入射角，折射角如何变化？
思考：当光由光密介质射入光疏介
质的时候，当入射角增大到一定的程 度的时候，折射角先达到900，如果再 增大入射角情况会怎么样呢？
3．临界角 (1)概念：刚好发生全反射(即折射角等于___) 时 90° 的入射角．用字母C表示． (2)临界角与折射率的关系 ①定量关系：光由某种介质射入空气 (或真空)时， 1 sinC＝__(公式 n )． 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．
1 临界角的正弦值： sin C n
5.几种常见介质的临界角（针对空气）
1 sin C n
介质
水
各种玻璃
金刚石
折射率
1.33
1.5～1.9
３２０～４２０
2.42
２４.５０
临界角Ｃ ４８.５０
折射率越大,全反射临界角越小.
三、常见全反射现象及解释
海市蜃楼
1．对“海市蜃楼”的解释 (1)气候条件：当大气比较平静且海面与上层空 气温差较大时，空气的密度随温度的升高而减 小，对光的折射率也随之减小．因海面上的空 气温度比空中低，空气的下层比上层折射率 大．我们可以粗略地把空中的大气分成许多水 平的空气层，如图4－2－2所示．
D．B是海市蜃楼，A是景物
解析：选A.因为海面上层空气相对下层空气为 光疏介质，则海面上层空气的折射率比下层空 气的折射率要小，故A正确；B错误；由于人的 视觉总是认为光沿直线传播，观察到的是虚像，
故C、D错误．
四、全反射的应用实例
全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜 当光线由AB面垂直入射时： 在AC面发生全反射， 垂直由BC面出射．
变化90 °
B C A
当光线由AC面垂直入射时：
A
在AB、 BC面发生两次全 反射，垂直由AC面出射．变化180 °
B C
一般的平面镜都是在玻璃的后面镀银， 但 是银面容易脱落．因此对于精密的光学仪器， 如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全 反射棱镜代替平面镜．与平面镜相比,它的反 射率高,几乎可达100%
光密介质 4 ．发生全反射的条件是： (1) 光由 ________ 射 入________ 光疏介质 ； (2)入射角大于等于 ________临界角．
二、对全反射现象的解释
1．解释全反射现象
(1) 水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是由于光 全反射 ． 射到气泡上发生了______
(2)在沙漠里，接近地面的热空气的折射率比上
眼会感觉特别明亮．海面上泛起的浪花看上去
是白色的也是这个道理．
特别提醒： 解释生活中常见全反射问题，关键
是确定以下两点： ①哪部分是光疏介质，哪部分是光密介质． ②入射光的来源和观察者的位置．
即时应用(即时突破，小试牛刀) 夏天，海面下层空气的温度比上层低，我们
设想海面上的空气是由折射率不同的许多水平