4.2全反射（学案）-2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第一册

4.2 全反射
学习目标
1、知道什么是光疏介质，什么是光密介质。
2、理解光的全反射现象。
3、理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决相关的问题。
4、知道光导纤维原理及其作用。
重点难点
1、理解理解光的全反射现象。（重点）
2、理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应的光路。（重点）
3、知道临界角的概念；知道临界角是发生全反射的最小入射角。（难点）
4、知道发生全反射的条件。（难点）
自主探究
一、全反射
1、光密介质、光疏介质
对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质。
2、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，若入射角增大到某一角度，折射光线就会完全消失，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，则sinC＝。
3、全反射的条件
要发生全反射，必须同时具备两个条件：
(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。
二、全反射的应用
1、全反射棱镜
全反射棱镜的截面是等腰直角三角形，当光垂直于直角边射向棱镜时，光的传播方向改变了90°角，当光垂直于斜边射向棱镜时，光的传播方向改变了180°角。
2、光导纤维及其应用
(1)光导纤维对光的传导原理：利用了光的全反射。
(2)光导纤维的构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到一百微米，由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
(3)光导纤维的应用——光纤通信
光纤通信的主要优点是传输容量大，此外光纤传输还有衰减小、抗干扰性及保密性强等多方面的优点。
探究思考
一、全反射的理解
1、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张，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能员已经减弱为零，发生了全反射。此时反射光的能量等于入射光的能量。
（2）发生全反射的条件：光从光密介质射向光疏介质，同时，入射角大于或等于临界角。
（3）全反射遵循的规律：光由光密介质射向光疏介质发生全反射时遵守反射定律。
2、临界角
（1）临界角的定义：折射角为90°时的入射角称为全反射临界角，简称临界角，用C表示。
（2）临界角C的表示式：由折射定律知，光由某介质射向真空(或空气)时，若刚好发生全反射，则，所以，即。
（3）不同色光的临界角：不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射。
【典例一】1、已知红光在某玻璃和真空的界面上发生全反射的临界角为45°,红光在真空中传播的速度为c,下列说法正确的是( )
A.该玻璃对红光的折射率大于
B.红光在该玻璃中的波长是在真空中波长的
C.红光在该玻璃中的频率是在真空中的倍
D.红光从真空射向该玻璃中,入射角大于45°时一定发生全反射
解题思路：由全反射临界角的计算式得,故A错误;由得,设红光的频率为f,在真空中的波长为,在该玻璃中的波长为,由波长、频率、波速的关系得,,由得,,故B正确;该红光由真空传入介质时,频率不发生变化,故C错误;由全反射的产生条件知红光从真空射向介质不会发生全反射,D错误。
答案：B
二、全反射的两个应用模型——全反射棱镜、光导纤维
1、全反射棱镜的作用及应用
（1）作用：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，全反射K镜是一种特殊的棱镜，在光学仪器中用来改变光的方向。
（2）应用：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，以增加亮度并消除多余的像。
2、光导纤维
（1）光导纤维：用光密介质制成的用来传导光信号的纤维状的装置。
（2）光纤原理：“光纤通信”利用了全反射原理。
实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，一定程度上可以弯折，直径只有几微米到一百微米之间，由内芯和外套组成。
如图所示，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射，使反射光的能量最强，实现远距离传送。
（3）光纤的应用：携带着数码信息、电视图像、声音等的光信号沿着光纤传输到很远地方，实现光纤通信。
3、全反射棱镜的应用示例
横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜。它在光学仪器里，常用来代替平面镜，改变光的传播方向。光通过全反射棱镜时的几种方式：
【典例二】2、如图所示，三棱镜的横截面为直角三角形，长为20 cm，三棱镜材料的折射率为，一束平行于底边的单色光从边上的中点O射入此棱镜，已知真空中光速为。下列说法错误的是( )
A.光束在三棱镜里传播的速度为
B.光束从边射入的折射角为
C.光束能从边射出
D.光束在三棱镜里传播的时间为
解题思路：该光束在三棱镜里传播的速度为，A正确；作出光路图如图所示，由折射定律，解得，B正确；由临界角公式知，得，光束到达边时，由几何关系可知入射角，光束将发生全反射，所以光束不能从边射出，C错误；由几何关系，，则，故光束在三棱镜里传播的时间，D正确。
答案： C
随堂训练
1、直线过均匀玻璃球球心O，细光束平行且关于对称，光束由空气射入玻璃球的光路如图。则（ ）
A.玻璃对a光的折射率较大
B.a光的临界角较小
C.b光在玻璃中的传播速度较小
D.b光在玻璃中的传播时间较短
答案：C
2、如图，两束单色光分别沿半径方向由空气射入半圆形玻璃砖，出射时合成一束复色光，下列说法正确的是( )
A.光的频率小于光的频率
B.在玻璃砖中光的传播速度小于光的传播速度
C.玻璃砖对光的折射率大于对光的折射率
D.两种单色光由玻璃射向空气时，光的临界角较小
答案： A
3、如图是一段因拉伸速度不均匀而形成的不合格光纤产品，呈圆台形。一单色光射到上边界O点并射出光纤，进入真空中时，入射角为30°，折射角为53°（），则( )
A.此光纤的折射率为0.625
B.该单色光在光纤中的传播速度为
C.减小单色光在O点的入射角可以提高光能传输效率
D.同一单色光在此光纤内发生全反射时对应的临界角等于在圆柱形光纤内发生全反射时对应的临界角
答案：BD
4、如图所示,两块半径均为的半圆形玻璃砖正对放置,其折射率均为;沿竖直方向的两条直径相互平行,一束单色光正对圆心从点射入左侧半圆形玻璃砖,已知，若不考虑光在各个界面的二次反射,下列说法正确的是（ ）
A.减小,光线可能在面发生全反射
B.间距大小与光线能否从右半圆形玻璃砖右侧射出无关
C.如果间距大于,光线不能从右半圆形玻璃砖右侧射出
D.如果间距等于,光线穿过两个半圆形玻璃砖的总偏折角为15°
答案：AD
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