1、2 全反射全反射 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道什么是光疏介质和光密介质，理解它们具有相对性.2.理解全反射现象，掌 握临界角的概念和全反射的条件.3.了解全反射棱镜和光导纤维 科学思维：利用全反射条件，应用临界角公式解答相关问题 科学探究：采用实验观察、猜想、验证、归纳的方法得出全反射现象的发生条件、临界角概 念等 一、全反射 1光疏介质和光密介质 (1)光疏介质：折射率较小(填“大”或“小”)的介质 (2)光密介质：折射率较大(填“大”或“小”)的介质 (3)光疏介质与光密介质是相对(填“相对”或“绝对”)的 2全反射现象 (1)全反射： 光从光密介质射入光疏介质时， 同时发生折射
2、和反射 若入射角增大到某一角度， 折射光线完全消失，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，光从介质射入 空气(真空)时，发生全反射的临界角 C 与介质的折射率 n 的关系是 sin C1 n. (3)全反射发生的条件 光从光密介质射入光疏介质 入射角等于或大于临界角 二、全反射棱镜 1形状：截面为等腰直角三角形的棱镜 2全反射棱镜的特点 (1)当光垂直于它的一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率 很高 (2)反射面不必涂敷任何反光物质，反射时失真小 三、光导纤维 1原理：利用了光的全反射 2构造：由内芯和外
3、套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光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等 4光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等 1判断下列说法的正误 (1)入射角大于临界角就会发生全反射现象( ) (2)光密介质是指密度大的介质( ) (3)制作全反射棱镜的材料的折射率一定大于 2.( ) (4)光在光导纤维中的传播速度小于光在真空中的光速 c.( ) 2一束光从某介质进入真空，方向如图 1 所示，则该介质的折射率为_；逐渐增大入 射角，光线将_(填“能”或“不能”)发生全反射；若使光发生全反射，应使光从 _射入_，且入射角大于等于_ 图
4、1 答案 2 能 介质 真空 45 一、全反射 当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确吗？ 为什么？ 答案 不正确 要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质 而水相对玻璃是光疏介质， 所以不管入射角多大都不可能发生全反射 1全反射现象 (1)全反射的条件： 光由光密介质射入光疏介质 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 定律全反射的临界角 C 和折射率 n 的关系：sin C1 n. (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
5、强度减弱，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，反射光线的能量等于入射光线的能量 2不同色光的临界角：由于不同颜色(频率不同)的光在同一介质中的折射率不同频率越大 的光，折射率也越大，所以不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越大的光的临 界角越小，越易发生全反射 例 1 某种介质对空气的折射率是 2，一束光从该介质射向空气，入射角是 60 ，则下列光 路图中正确的是(图中为空气，为介质)( ) 答案 D 解析 由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由 sin C1 n 2 2 ，得 C45 60 ，故 在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光
6、线，没有折射光线，故选项 D 正确 二、全反射棱镜 如图所示，已知玻璃的折射率为 1.5，甲图中当光线垂直 BC 面入射时，光线到达 AC 面的入 射角是多少？能否发生全反射？乙图中当光线垂直 AC 面入射时， 光线到达 AB 面的入射角是 多少？能否发生全反射？ 答案 45 能发生全反射 45 能发生全反射 全反射棱镜改变光路的几种情况 入射方式 项目 方式一 方式二 方式三 光路图 入射面 AB AC AB 全反射面 AC AB、BC AC 光线方向 改变角度 90 180 0 (发生侧移) 例 2 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 2
7、 所示方框内有两个折射率 n1.5 的全反射玻璃棱镜下列选项给出了两棱镜的四种放 置方式的示意图其中能产生图中效果的是( ) 图 2 答案 B 解析 四个选项的光路图如图所示： 可知 B 项正确 三、光导纤维 如图所示是光导纤维的结构示意图，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成构成内 芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？ 答案 内芯的折射率大因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反 射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端 1.构造及传播原理 (1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如图 3 所示，它 是由内芯和外套两层组成的，内芯的
8、折射率大于外套的折射率 图 3 (2)传播原理：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，光导纤维可 以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图象 2光导纤维的折射率：设光导纤维的折射率为 n，当入射角为 1时，进入光导纤维的光线传 到侧面恰好发生全反射， 则有：sin C1 n，n sin 1 sin 2，C290 ，由以上各式可得：sin 1 n 21. 由图 4 可知：当 1增大时，2增大，由光导纤维射向空气的光线的入射角 减小，当 190 时，若 C，则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射，即解得 n 2. 图 4 以上是光从光导纤维射向真空时得到
9、的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真 空的折射率大，因此折射率要比 2大些 例 3 如图 5 所示，AB 为一直光导纤维，A、B 之间距离为 s，使一光脉冲信号从光导纤维 中间入射，射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射，由 A 点传输到 B 点所用时间 为 t，求光导纤维所用材料的折射率 n.(已知光在真空中的传播速度为 c) 图 5 答案 ct s 解析 设光导纤维所用材料的折射率为 n，则有 sin sin C1 n nc v t s sin v s vsin 由以上三式解得 t s c n 1 n sn 2 c ， 所以 n ct s . 学科素养 例 3 这道题是全
10、反射知识的应用， 注意挖掘题目中隐含条件， “恰好”“刚好” 暗含的条件是入射角等于临界角 本题意在考查学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力， 体现了“科学思维”的学科素养 四、全反射的应用 解决全反射问题的思路 (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)若光由介质进入空气(真空)时，则根据 sin C1 n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、运算及变换并进行动态分析或 定量计算 例 4 一厚度为 h 的玻璃板水平放置，其下表面贴有一半径为 r 的圆形发光面
11、在玻璃板上 表面放置一半径为 R 的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上已知圆纸片恰 好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求玻璃板的折射率 答案 1 h Rr 2 解析 如图所示，从圆形发光面边缘的 A 点发出的一条光线射到玻璃板上表面 A点恰好发 生全反射， 则有 sin C1 n 又由几何关系：sin C L L2h2 其中 LRr 联立以上各式解得 n L2h2 L 1 h Rr 2. 1.(对全反射的理解)(多选)如图 6 所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条同一颜色、强度相同 的光线，均由空气沿半圆半径方向射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置下列说法正确的是 (
12、) 图 6 A假若三条光线中只有一条在 O 点发生了全反射，那一定是 aO 光线 B假若光线 bO 能发生全反射，那么光线 cO 一定能发生全反射 C假若光线 bO 能发生全反射，那么光线 aO 一定能发生全反射 D假若光线 aO 恰能发生全反射，那么光线 bO 的反射光线比光线 cO 的反射光线的亮度大 答案 ACD 解析 在玻璃砖直径界面，光线 aO 的入射角最大，光线 cO 的入射角最小，它们都是从光密 介质射向光疏介质，都有发生全反射的可能假若只有一条光线发生了全反射，那一定是 aO 光线，因为它的入射角最大，所以选项 A 对；假若光线 bO 能发生全反射，说明它的入射角 等于或大于临
13、界角，光线 aO 的入射角更大，所以光线 aO 一定能发生全反射，光线 cO 的入 射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此光线 cO 不一定能发生全反射，所以 选项 B 错，C 对；假若光线 aO 恰能发生全反射，则光线 bO 和光线 cO 都不能发生全反射， 但光线 bO 的入射角更接近于临界角，所以光线 bO 的反射光线比光线 cO 的反射光线强，即 光线 bO 的反射光线亮度较大，所以 D 对 2(全反射棱镜)自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来 自后面的光照反射回去某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率 n 2)组成， 棱镜的
14、横截面如图 7 所示 一平行于横截面的光线从 O 点垂直 AB 边射入棱镜， 先后经过 AC 和 CB 边反射后，从 AB 边的 O点射出，则出射光线是( ) 图 7 A平行于 AC 边的光线 B平行于入射光线的光线 C平行于 CB 边的光线 D沿 AB 边的光线 答案 B 解析 由题意可知，等腰直角棱镜的折射率 n 2，且 sin C1 n，得临界角小于 45 ，由题图 可得，光从空气进入棱镜，因入射角为 0 ，所以光线不偏折当光从棱镜射向空气时，入射 角等于 45 ，发生全反射，根据几何关系，结合光路可逆可知，出射光线是，即平行于入 射光线，故 B 正确，A、C、D 错误 3(光导纤维)如
15、图 8 所示是两个城市间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 n1，外层材料的折射率为 n2.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，下列判断中正确的是( ) 图 8 An1n2，光通过光缆的时间等于n1L c Bn1n2，光通过光缆的时间等于n1L c Dn1n2，光通过光缆的时间大于n1L c 答案 D 解析 光从光密介质射入光疏介质，才可能发生全反射，故 n1n2；光在内芯传播的路程 s L sin ，光在内芯的传播速度 v c n1，所以光通过光缆的时间 t s v n1L csin ，故 D 正确 4.
16、(全反射的应用)如图 9 所示的圆柱形容器中盛满折射率 n2 的某种透明液体，容器底部安 装一块平面镜，容器直径 L2H，在圆心正上方高度 h 处有一点光源 S，要使人从液体表面 上任意位置处能够观察到点光源 S 发出的光，h 应该满足什么条件？ 图 9 答案 Hh( 31)H 解析 要使人从液体表面上任意位置处能够观察到点光源 S 发出的光，点光源发出的光必须 全部能折射进入空气，根据对称性，作出点光源经平面镜所成的像 S，如图所示，当光射 向水面时，入射角不大于临界角，光线才能射入空气中 则入射角 iC，C 为全反射临界角，则有：sin C1 n 根据几何关系得：sin i L 2 L 2 2Hh2，且 L2H 解得：h( 31)H 故 Hh( 31)H.