第三节 光的全反射与光纤技术
[学习目标] 1．理解全反射现象和临界角的概念，知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件．2．能用光线模型探索生活中光的全反射现象．3．了解光导纤维的工作原理及其应用．4．能从不同角度思考光传播的问题．
知识点一 光的全反射现象
1．光疏介质和光密介质
(1)光疏介质：折射率较小(选填“大”或“小”)的介质．
(2)光密介质：折射率较大(选填“大”或“小”)的介质．
(3)光疏介质与光密介质是相对(选填“相对”或“绝对”)的．
2．光的全反射
当光从折射率较大的介质(光密介质)射入折射率较小的介质(光疏介质)时，同时发生折射和反射，如果入射角逐渐增大，折射光线离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光线却越来越强．当入射角达到某一角度，使折射角达到90°，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象称为光的全反射．
3．临界角
刚好发生全反射，折射角等于90°时的入射角称为临界角，记作ic (有时也记作C)．
光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角ic与介质的折射率n的关系是sin ic＝．
4．发生光的全反射的两个必要条件
(1)光线从光密介质射入光疏介质．
(2)入射角等于或大于临界角．
知识点二 光导纤维的工作原理
1．光纤及原理
光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端，其原理就是利用了光的全反射．
2．光纤的构造
光纤用的是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，光纤由纤芯和包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射．
知识点三 光纤技术的实际应用
1．光缆可以用来传送图像，医学上用来检查人体消化道的内窥镜就是利用了这种性质．
2．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络进入千家万户．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．
(1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象． (×)
(2)光密介质，是指介质的折射率较大，密度不一定大． (√)
(3)鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，是由于光射到气泡上发生了全反射． (√)
(4)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成． (×)
2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是( )
A．从水晶射入玻璃 B．从水射入二硫化碳
C．从玻璃射入水中 D．从水射入水晶
C [发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故只有C正确.]
3．华裔科学家高锟获得诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通信之父”．光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．下列关于光导纤维的说法正确的是( )
A．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．波长越短的光在光纤中传播的速度越大
D．频率越大的光在光纤中传播的速度越大
A [光纤内芯比外套折射率大，光在内芯与外套的界面上发生全反射，A正确，B错误；频率大的光波长短，折射率大，在光纤中传播速度小，C、D错误.]
光照到两种介质界面处，发生了如图所示的现象.
(1)上面的介质与下面的介质哪个折射率大？
(2)全反射发生的条件是什么？
提示：(1)下面的介质折射率大.
(2)一是光由光密介质射入光疏介质；二是入射角大于或等于临界角.
全反射
1．对光疏介质和光密介质的理解
(1)光疏介质和光密介质的比较：
介质种类 光的传播速度 折射率
光疏介质 大 小
光密介质 小 大
(2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的．同种介质在不同的比较中结果可能不同，如水、水晶和金刚石，水晶对水来说是光密介质，但对金刚石来说是光疏介质．
(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．
2．全反射规律
(1)全反射的条件：
①光由光密介质射向光疏介质；
②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，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用．
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．
4．生活中的全反射现象及其应用
(1)夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮．
解释：光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，有更多的光反射到人的眼睛中，人就会感觉特别明亮．
(2)全反射棱镜：
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反射时失真小，两种反射情况如图甲、乙所示．
应用：如图所示，自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．
【典例1】 一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面．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)，求平板玻璃的折射率．
[思路点拨] (1)由圆纸片恰好完全挡住圆形发光面发出的光线可确定临界角．
(2)根据sin ic＝可计算折射率．
[解析] 根据全反射定律，圆形发光面边缘发出的光线射到玻璃板上表面时的入射角为临界角(如图所示)，设为θ，且sin θ＝
根据几何关系得sin θ＝
而L＝R－r
联立以上各式，解得n＝
[答案]
解答全反射定律的技巧
(1)解答全反射问题时，要抓住发生全反射的两个条件：一是光必须从光密介质射入光疏介质，二是入射角大于或等于临界角．
(2)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在画光路图时尽量与实际相符．
[跟进训练]
1．1870年，英国物理学家丁达尔做了“水流导光”的实验．某学习小组进行类似的实验研究，在透明塑料瓶装满水，在其侧面开一小孔，打开瓶盖后，水从小孔流出形成弯曲不散开的水流，用细激光束透过塑料瓶水平射向该小孔，将看到光沿弯曲水流传播的现象，对此下列说法正确的是( )
A．这是一种光的折射现象
B．这是一种光的全反射现象
C．这是一种光的衍射现象
D．该实验证明了光在均匀介质中可以不沿直线传播
B [当某一频率的激光从水中射向空气时，若入射角大于或等于激光的临界角，则激光会发生全反射，保持在水中传播，从而看到光沿弯曲水流传播的现象，即该现象是一种光的全反射现象；激光在水中仍沿直线传播，该实验不能证明光在均匀介质中可以不沿直线传播.故选B.]
2．(多选)一束光从某介质进入真空，方向如图所示，则下列判断正确的是( )
A．该介质的折射率是
B．该介质的折射率是
C．该介质相对真空发生全反射的临界角小于45°
D．光线按如图所示的方向入射，无论怎样改变入射方向都不可能发生全反射现象
BC [上面是介质，下面是真空，入射角i＝30°，折射角γ＝60°，则折射率n＝＝＝，故A错误，B正确；＝＝＜，则ic＜45°，故C正确；光线按题图所示的方向入射，当入射角大于临界角时，就会发生全反射现象，故D错误.]
光导纤维的应用
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1～100 μm，如图所示，它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率．
(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，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．
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θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：
sin ic＝，n＝，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝．
由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝ic，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，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 大些．
【典例2】 如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维的内芯用折射率n＝的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出来，若光速c＝3×108 m/s，求：
(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大；
(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少．(结果均保留两位有效数字)
[思路点拨] (1)由光导纤维的折射率可计算临界角．
(2)光在光导纤维侧面上发生全反射现象，计算出光的总路程，根据光速可求出传播时间．
[解析] (1)由n＝可得v＝×108 m/s≈2.1×108 m/s.
(2)已知入射角θ1＝45°，由n＝可得θ2＝30°
由sin C＝得C＝45°
则光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射.同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面.由此作光路图如图所示.
光线在光导纤维中通过的总路程s＝＋＋＋＋…＝
因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝
解得t＝×10-8 s≈2.7×10-8 s.
[答案] (1)2.1×108 m/s (2)2.7×10-8 s
[跟进训练]
3．如图所示，光导纤维的内芯折射率为n1、外套折射率为n2，光由光导纤维的一端从空气进入内芯后，经多次全反射传播到另一端射出，则( )
A．n1>n2 B．n1C．sin α＝ D．sin α＝
A [欲使光在内芯和外套的界面上发生全反射，必须从光密介质射入光疏介质，需要满足n1>n2，A正确，B错误；在内芯发生全反射的临界角为sin C＝，题图中发生全反射，满足α≥C，所以sin α≥sin C＝，C、D错误.]
1．庄子与惠子游于濠梁之上．庄子曰：“鲦鱼出游从容，是鱼之乐也．”人在桥上观鱼时( )
A．人能看到鱼，鱼不能看到人
B．人看到的鱼是经反射所成的像
C．鱼看到的人的位置比人的实际位置低
D．人看到的鱼的位置比鱼的实际位置高
D [根据光路的可逆性，人能看到鱼，鱼也一定能看到人，A错误；人看到的鱼是经光的折射所成的像，B错误；人在空气中，人作为等效光源，入射角大于折射角，鱼沿折射光线的反向延长线看人，鱼看到的人的位置比人的实际位置高，C错误；同理，人看到的鱼的位置比鱼的实际位置高，D正确.故选D.]
2．(多选)如图所示，光纤通信的主要部件为光导纤维，其由纤芯和包层两部分组成，以合适角度进入光纤的光能够在纤芯和包层分界面上发生全反射，以折线的形式沿着光纤传播．下列说法正确的是( )
A．纤芯的折射率大于包层的折射率
B．减小光在入射端的入射角i，光在光纤中的传播时间将增大
C．光的波长增大时，纤芯对光的折射率将增大
D．光的波长增大时，其在纤芯中的传播速度将增大
AD [发生全反射的条件是光由光密介质进入光疏介质，则纤芯的折射率大于包层的折射率，故A正确；光的入射角i减小时，光在纤芯中传播的路程变短，则传播时间将减小，故B错误；光的波长增大时，纤芯对光的折射率n将减小，根据v＝，可知光在纤芯中的传播速度将增大，故C错误，D正确.]
3．两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为θ1、θ2，已知θ1＞θ2，用n1、n2分别表示水对两种单色光的折射率，v1、v2分别表示两种单色光在水中的传播速度，则( )
A．n1＜n2，v1＜v2 B．n1＜n2，v1＞v2
C．n1＞n2，v1＜v2 D．n1＞n2，v1＞v2
B [根据光的全反射临界角与折射率的关系sin θ＝，则有n＝，因θ1＞θ2，所以n1＜n2；光在水中的传播速度v＝，因为n1＜n2，所以v1＞v2，故选B.]
4．如图所示，口径较大、充满水的圆柱形薄壁浅玻璃缸底有一发光小球，则( )
A．小球必须位于缸底中心才能从侧面看到小球
B．小球所发的光能从水面任何区域射出
C．小球所发的光从水中进入空气后频率变大
D．小球所发的光从水中进入空气后传播速度变大
D [小球发出的光先从水中传播，然后再射入空气中，故我们从侧面就可以看到小球，故A错误；由于光从水中射入空气中，故当入射角大于或等于临界角时，光会发生全反射，球所发的光不能从水面任何区域射出，故B错误；光从水中进入空气后频率不变，由于折射率变小，故光的传播速度变大，故C错误，D正确.]
5．如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到的光的强度变化而触发工作的．光从挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中，测得入射角为α，折射角为β；光从P点射向外侧N点，刚好发生全反射并被Q接收，求光从玻璃射向空气时临界角θ的正弦值表达式．
[解析] 根据光的折射定律有n＝
根据光的全反射规律有sin θ＝
联立解得sin θ＝
[答案] sin θ＝
回顾本节内容，自主完成以下问题：
1．全反射的条件？
提示：光由光密介质射向光疏介质，入射角大于或等于临界角.
2．不同色光临界角不同，哪种色光最容易发生全反射？
提示：紫光.
3．光导纤维的传播原理？
提示：光从一端进入，经过多次全反射，从另一端射出，再将光信号转换成电信号，传播声音和图像.
课时分层作业(十三) 光的全反射与光纤技术
?考点一 对全反射的理解
1．(多选)下述现象哪些是由于全反射造成的( )
A．露珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮
B．直棒斜插入水中时呈现弯折现象
C．口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可即
D．在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮
ACD [露珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下在部分位置发生全反射，所以格外明亮，故A正确；直棒斜插入水中时呈现弯折现象是由于光的折射，故B错误；口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，是折射和全反射形成的现象，故C正确；盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮，是由于发生了全反射，故D正确.]
2．(多选)关于全反射，下列说法正确的是( )
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
CD [全反射是当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于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.光从水或玻璃射向气泡时，一部分光线在界面发生了全反射，即反射光增强，透射光减弱，就使气泡看起来特别亮，A、B错误，C、D正确.]
3．某物理兴趣小组用实验探究光的色散规律，他们将半圆形玻璃砖放在竖直面内，在其左方竖直放置一个很大的光屏P，让一复色光束SA射向玻璃砖的圆心O后，有a和b两束单色光射向光屏P，如图所示．他们根据实验现象提出了以下四个猜想，你认为正确的是( )
A．单色光a的波长小于单色光b的波长
B．在玻璃中单色光a的传播速度大于单色光b的传播速度
C．单色光a通过玻璃砖所需的时间大于单色光b通过玻璃砖所需的时间
D．在光束SA绕圆心O逆时针转动的过程中，在光屏P上最早消失的是a光
B [由题图知，a光的偏折程度小于b光，所以a光的折射率小于b光的折射率，则a光的波长大于b光的波长，故A错误；由v＝知，b光在玻璃砖中传播速度较小，时间较长，故B正确，C错误；由 sin C＝，知a光的临界角较大，b光的临界角较小，则当光束SA绕圆心O逆时针转动过程中，在光屏P上最早消失的是b光，D错误.故选B.]
?考点二 临界角公式的分析和计算
4．(多选)如图所示，有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向E点，并偏折到F点，已知入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，E、F分别为AB、BC的中点，则( )
A．该棱镜的折射率为
B．光在F点发生全反射
C．光从空气进入棱镜，波长变小
D．从F点出射的光束与入射到E点的光束平行
AC [在E点作出法线可知入射角为60°，折射角为30°，折射率为，故A正确；光在棱镜中发生反射的临界角的正弦值为，则临界角大于30°，在F处的入射角为30°，小于临界角，不会发生全反射，故B错误；光从空气进入棱镜，频率不变，速度变小，由v＝λν知波长变小，故C正确；三棱镜两次折射使得光线都向底边偏折，不会与入射到E点的光束平行，故D错误.]
5．某种液体的折射率为2，距液面下深h处有一个点光源，从液面上看液面被光源照亮的圆形区域的半径为( )
A．h B．h
C．h D．h
C [设水面上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的半径为r，如图所示，光线在圆形区域的边缘恰好发生全反射，入射角等于临界角C.由sin C＝＝得C＝30°.根据几何关系可知r＝h，故C正确.]
6．如图所示，半径为 R 的半圆形透明材料，折射率n＝2．一束平行光从空气以垂直于其底面的方向射入，则下列说法正确的是( )
A．所有光线都能透过这种材料
B．只有距圆心O两侧范围内的光才能通过
C．只有距圆心O两侧 范围内的光才能通过
D．射出的光束会形成发散光束
B [透明材料折射率n＝2，所以光在这种材料中的临界角的正弦值sin C＝＝，即C＝30°，平行光射到底面时，光线与界面垂直，方向不变，继续射到球面时，距圆心O两侧范围内的光线入射角小于临界角，光线能射出，且射出时发生折射会形成汇聚光束，范围外的光线入射角大于或等于临界角，发生全反射.故选B.]
7．有一束波长为6×10-7 m的单色光从空气射入某种透明介质，入射角为45°，折射角为30°，则下列说法正确的是( )
A．介质的折射率是
B．这束光在介质中传播的速度是1.5×108 m/s
C．这束光的频率是5×1014 Hz
D．这束光发生全反射的临界角是30°
C [该介质的折射率为n＝＝，A错误；光在介质中传播的速度是v＝＝ m/s＝×108 m/s，该束光的频率为f＝＝ Hz＝5×1014 Hz，B错误，C正确；因为sin C＝＝，该束光的全反射临界角为45°，D错误.]
?考点三 光导纤维
8．如图所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层用折射率比玻璃小的介质包覆．若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为θ，则下列有关此光线传播方式的叙述，正确的是( )
A．不论θ为何值，光线都不会发生全反射
B．不论θ为何值，光线都会发生全反射
C．θ够小时，光线才会发生全反射
D．θ够大时，光线才会发生全反射
C [发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质及入射角i要大于或等于临界角C，即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足i＝90°－θ≥C，θ≤90°－C，故选项C正确.]
9．光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的．如图所示，一光导纤维内芯折射率为n1，外层折射率为n2，一束光信号与界面夹角为α由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是( )
A．n1>n2，α小于某一值
B．n1C．n1>n2，α大于某一值
D．n1A [光在内芯和外层的界面上发生全反射，则内芯的折射率n1大于外层的折射率n2，由于入射角要大于或等于临界角，所以α应小于某一值.故A正确，B、C、D错误.]
10．(多选)如图所示，ABC为一玻璃三棱镜的截面，一束光线MN垂直于AB面射入，在AC面发生全反射后从BC面射出，则( )
A．由BC面射出的红光更偏向AB面
B．由BC面射出的紫光更偏向AB面
C．若∠MNB变小，最先从AC面透出的是红光
D．若∠MNB变小，最先从AC面透出的是紫光
BC [在AC面发生全反射后从BC面射出时，所有光线在BC面上入射角相等，由于玻璃对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大，根据折射定律得到，在BC面上的折射角红光的最小，紫光的最大，则由BC面射出的紫光更偏向AB面，故A错误，B正确；若∠MNB变小，在AC面入射角减小，由于红光的临界角最大，当入射角减小，最先从AC面透出，故C正确，D错误.]
11．(源自人教版教材改编)单镜头反光式取景照相机简称单反相机，它用一块放置在镜头与感光部件之间的透明平面镜把来自镜头的图像投射到对焦屏上，对焦屏上的图像通过五棱镜的反射进入人眼中．如图所示为单反相机取景器的示意图，ABCDE为五棱镜的一个截面，AB⊥BC．光线垂直AB射入，分别在CD和EA上发生全反射，且两次全反射的入射角相等，最后光线垂直BC射出．下列说法正确的是( )
A．∠BCD＝135°
B．∠BAE和∠BCD不相等
C．该五棱镜折射率的最小值是
D．该五棱镜折射率的最小值是
C [设光在CD面上的入射角为θ，作出该光线的光路图如图所示，在CD和EA面上均发生全反射，且入射角相等，由几何知识得4θ＝90°，解得θ＝22.5°，故∠BCD＝112.5°，A错误；同理可得，∠BAE＝112.5°，B错误；由折射定律知，五棱镜的最小折射率为n＝，C正确，D错误.
]
12．一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示．一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点．当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束．已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v．
[解析] 当入射角达到45°时，恰好到达临界角C，根据sin C＝
可得液体的折射率n＝＝＝
由于n＝
可知激光在液体中的传播速度v＝＝c.
[答案] c
13．光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强，载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传到千里之外的另一端，实现光纤通信．长为L的一段直光导纤维如图所示，让一单色光线射向右侧截面某点，缓慢减小入射角α，发现减小至α＝60°时便不再有光从长侧面逸出．已知光在真空中的传播速度为c．求：
(1)该光导纤维对这种单色光的折射率；
(2)以不同入射角进入光纤的光信号传递到另一端所用的时间会有所不同，求最长时间．
[解析] (1)当入射角减小至α＝60°时，光恰好在长侧面发生全反射，如图所示：
根据折射定律可得n＝
根据全反射临界角公式可得sin C＝
又γ＋C＝90°
则有sin C＝cos γ
联立可得该光导纤维对这种单色光的折射率
n＝＝＝
(2)单色光在光导纤维中的传播速度v＝
当入射角为α＝60°时，光在光导纤维传播的路程最长，则所用时间最长，根据几何关系可知
smax＝＝nL
则最长时间为tmax＝＝＝
[答案] (1) (2)
4 / 17第三节 光的全反射与光纤技术
[学习目标] 1．理解全反射现象和临界角的概念，知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件．2．能用光线模型探索生活中光的全反射现象．3．了解光导纤维的工作原理及其应用．4．能从不同角度思考光传播的问题．
知识点一 光的全反射现象
1．光疏介质和光密介质
(1)光疏介质：折射率较__(选填“大”或“小”)的介质．
(2)光密介质：折射率较__(选填“大”或“小”)的介质．
(3)光疏介质与光密介质是____(选填“相对”或“绝对”)的．
2．光的全反射
当光从折射率____的介质(光密介质)射入折射率____的介质(光疏介质)时，同时发生折射和反射，如果入射角逐渐增大，折射光线离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光线却越来越强．当入射角达到某一角度，使折射角达到______，折射光线________，只剩下______线，这种现象称为光的全反射．
3．临界角
刚好发生全反射，折射角等于______时的入射角称为临界角，记作____ (有时也记作C)．
光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角ic与介质的折射率n的关系是______________．
4．发生光的全反射的两个必要条件
(1)光线从____介质射入____介质．
(2)入射角____或____临界角．
知识点二 光导纤维的工作原理
1．光纤及原理
光导纤维简称光纤，它能把光(信号)从一端远距离传输到光纤的另一端，其原理就是利用了__________．
2．光纤的构造
光纤用的是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，光纤由____和____组成，纤芯的折射率____包层的折射率，光传播时在纤芯与包层的界面上发生______．
知识点三 光纤技术的实际应用
1．光缆可以用来传送____，医学上用来检查人体消化道的______就是利用了这种性质．
2．光纤宽带、光纤电话、光纤有线电视等光纤通信网络进入千家万户．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．
(1)光从空气射入水中时可能发生全反射现象． ( )
(2)光密介质，是指介质的折射率较大，密度不一定大． ( )
(3)鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，是由于光射到气泡上发生了全反射． ( )
(4)光纤一般由折射率小的玻璃内芯和折射率大的外层透明介质组成． ( )
2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是( )
A．从水晶射入玻璃 B．从水射入二硫化碳
C．从玻璃射入水中 D．从水射入水晶
3．华裔科学家高锟获得诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通信之父”．光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播．下列关于光导纤维的说法正确的是( )
A．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．波长越短的光在光纤中传播的速度越大
D．频率越大的光在光纤中传播的速度越大
光照到两种介质界面处，发生了如图所示的现象.
(1)上面的介质与下面的介质哪个折射率大？
(2)全反射发生的条件是什么？
全反射
1．对光疏介质和光密介质的理解
(1)光疏介质和光密介质的比较：
介质种类 光的传播速度 折射率
光疏介质 大 小
光密介质 小 大
(2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的．同种介质在不同的比较中结果可能不同，如水、水晶和金刚石，水晶对水来说是光密介质，但对金刚石来说是光疏介质．
(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．
2．全反射规律
(1)全反射的条件：
①光由光密介质射向光疏介质；
②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，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用．
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．
4．生活中的全反射现象及其应用
(1)夏季的早晨，从某一方向看植物叶子上的露珠会格外明亮，玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮．
解释：光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，有更多的光反射到人的眼睛中，人就会感觉特别明亮．
(2)全反射棱镜：
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反射时失真小，两种反射情况如图甲、乙所示．
应用：如图所示，自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车．
【典例1】 一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面．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)，求平板玻璃的折射率．
[思路点拨] (1)由圆纸片恰好完全挡住圆形发光面发出的光线可确定临界角．
(2)根据sin ic＝可计算折射率．
[听课记录]
解答全反射定律的技巧
(1)解答全反射问题时，要抓住发生全反射的两个条件：一是光必须从光密介质射入光疏介质，二是入射角大于或等于临界角．
(2)利用好光路图中的临界光线，准确地判断出恰好发生全反射的光路图是解题的关键，且在画光路图时尽量与实际相符．
[跟进训练]
1．1870年，英国物理学家丁达尔做了“水流导光”的实验．某学习小组进行类似的实验研究，在透明塑料瓶装满水，在其侧面开一小孔，打开瓶盖后，水从小孔流出形成弯曲不散开的水流，用细激光束透过塑料瓶水平射向该小孔，将看到光沿弯曲水流传播的现象，对此下列说法正确的是( )
A．这是一种光的折射现象
B．这是一种光的全反射现象
C．这是一种光的衍射现象
D．该实验证明了光在均匀介质中可以不沿直线传播
2．(多选)一束光从某介质进入真空，方向如图所示，则下列判断正确的是( )
A．该介质的折射率是
B．该介质的折射率是
C．该介质相对真空发生全反射的临界角小于45°
D．光线按如图所示的方向入射，无论怎样改变入射方向都不可能发生全反射现象
光导纤维的应用
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1～100 μm，如图所示，它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率．
(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，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．
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θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有：
sin ic＝，n＝，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝．
由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝ic，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n＝，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，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 大些．
【典例2】 如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维的内芯用折射率n＝的材料制成．一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出来，若光速c＝3×108 m/s，求：
(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大；
(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少．(结果均保留两位有效数字)
[思路点拨] (1)由光导纤维的折射率可计算临界角．
(2)光在光导纤维侧面上发生全反射现象，计算出光的总路程，根据光速可求出传播时间．
[听课记录]
[跟进训练]
3．如图所示，光导纤维的内芯折射率为n1、外套折射率为n2，光由光导纤维的一端从空气进入内芯后，经多次全反射传播到另一端射出，则( )
A．n1>n2 B．n1C．sin α＝ D．sin α＝
1．庄子与惠子游于濠梁之上．庄子曰：“鲦鱼出游从容，是鱼之乐也．”人在桥上观鱼时( )
A．人能看到鱼，鱼不能看到人
B．人看到的鱼是经反射所成的像
C．鱼看到的人的位置比人的实际位置低
D．人看到的鱼的位置比鱼的实际位置高
2．(多选)如图所示，光纤通信的主要部件为光导纤维，其由纤芯和包层两部分组成，以合适角度进入光纤的光能够在纤芯和包层分界面上发生全反射，以折线的形式沿着光纤传播．下列说法正确的是( )
A．纤芯的折射率大于包层的折射率
B．减小光在入射端的入射角i，光在光纤中的传播时间将增大
C．光的波长增大时，纤芯对光的折射率将增大
D．光的波长增大时，其在纤芯中的传播速度将增大
3．两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为θ1、θ2，已知θ1＞θ2，用n1、n2分别表示水对两种单色光的折射率，v1、v2分别表示两种单色光在水中的传播速度，则( )
A．n1＜n2，v1＜v2 B．n1＜n2，v1＞v2
C．n1＞n2，v1＜v2 D．n1＞n2，v1＞v2
4．如图所示，口径较大、充满水的圆柱形薄壁浅玻璃缸底有一发光小球，则( )
A．小球必须位于缸底中心才能从侧面看到小球
B．小球所发的光能从水面任何区域射出
C．小球所发的光从水中进入空气后频率变大
D．小球所发的光从水中进入空气后传播速度变大
5．如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到的光的强度变化而触发工作的．光从挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中，测得入射角为α，折射角为β；光从P点射向外侧N点，刚好发生全反射并被Q接收，求光从玻璃射向空气时临界角θ的正弦值表达式．
回顾本节内容，自主完成以下问题：
1．全反射的条件？
2．不同色光临界角不同，哪种色光最容易发生全反射？
3．光导纤维的传播原理？
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