4.2、4.3 光的全反射 光导纤维及其应用 课件 (2)

课件56张PPT。第2节　光的全反射
第3节　光导纤维及其应用1.当光线在界面发生反射时，反射角_____(选填“大于”“小
于”或“等于”)入射角。
2.当光由空气射入玻璃时，折射角_____(选填“大于”“小于”
或“等于”)入射角。
3.当光由真空射入介质时，入射角的正弦与折射角的正弦之比
等于该介质的_______。
4.不同介质的折射率_____，所以光在不同介质中的传播速度
也不同。等于小于折射率不同一、全反射及其产生条件
1.光疏介质和光密介质：
对于两种不同的介质，折射率_____的介质叫做光疏介质，折
射率_____的介质叫做光密介质。
2.全反射及临界角的概念：
(1)全反射：光由光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到
一定程度时，折射光线_________，全部光线都被反射回光密
介质的现象。
(2)临界角：刚发生全反射(即折射角等于____)时的入射角，
用字母C表示。较小较大完全消失90°3.全反射的条件：
(1)光由_____介质射入_____介质。
(2)入射角_________临界角。
4.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，sinC=___。
(2)定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角_____，
越容易发生全反射。光密光疏大于等于越小二、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层空气的折射
率___，从远处物体射向地面的光线的入射角_____临界角时，
发生全反射，人们就会看到远处物体的倒影。全反射小大于2.全反射棱镜：
(1)形状：截面为_________三角形的棱镜。
(2)光学特性：
①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发
生_______，光射出棱镜时，传播方向改变了_____。
②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在___________上各发
生一次全反射，使光的传播方向改变了______。等腰直角全反射90°两个直角边180°三、光导纤维及其应用
1.构造：光导纤维是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外层透明
介质两层组成。
2.原理：内芯的折射率比外层的___，光传播时在内芯与外层
的界面上发生_______。
3.主要优点：容量大、_____损耗小、抗干扰能力强、_____性
好等。大全反射能量保密【思考辨析】
1.判断正误：
(1)光密介质、光疏介质是指介质的密度大小。　(　　)
(2)光从空气折射入水中也可以发生全反射现象。　(　　)
(3)只要是光从光密介质射向光疏介质，就一定发生全反射。
　(　　)
(4)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。　(　　)
(5)光导纤维主要是应用了光的全反射。　(　　)提示：(1)×。光密介质、光疏介质是指介质的折射率大小，与介质的密度无关。
(2)×。光从空气折射入水中，是从光疏介质进入光密介质，不符合发生全反射的条件，不会发生全反射现象。
(3)×。光从光密介质射向光疏介质，并且入射角要大于等于临界角，两个条件缺一不可。
(4)√。鱼缸中上升的气泡，是由于光射到气泡上发生了全反射，所以看起来亮晶晶的。
(5)√。光导纤维主要是应用了光的全反射进行通信。 2.问题思考：
能否用折射率为1.25的透明材料制成截面为等腰直角三角形的
全反射棱镜？
提示： 即C>45°，不能发生全反射，
故不能用此透明材料制成截面为等腰直角三角形的全反射棱镜。 一、全反射的理解
1.光疏介质与光密介质：不同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫做光密介质。
(1)对光路的影响：根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质(例如由空气射入水)时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质(例如由水射入空气)时，折射角大于入射角。(2)光疏介质和光密介质的比较：
(3)相对性：光疏介质、光密介质是相对的。任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判定谁是光疏介质谁是光密介质。 2.全反射现象：
光由光密介质射入到光疏介质中时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回原介质，这种现象称为全反射现象，简称全反射。
(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)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。同时折射光线强度减弱，即折射光线能量减小，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，反射光的能量等于入射光的能量。(4)临界角：
①定义：
刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角称为全反射的临
界角，用C表示。
②表达式：光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好
发生全反射，则折射角恰好等于90°，
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，折射率越大的光的临界角越小，越易发生全反射。【学而后思】
(1)只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质?
提示：不能。光密介质、光疏介质是对确定的两种介质相比较折射率而确定的，只有一种介质是无法比较折射率的，从而无法确定它是光疏介质还是光密介质。
(2)七种色光能否在同一界面上同时发生全反射?
提示：能。如果光从光密介质进入光疏介质，并且入射角大于等于红光的临界角，则七种色光能在同一界面上同时发生全反射。 【典例1】(2013·牡丹江高二检测)一棱镜的截面为直角三角
形ABC，如图所示，∠A=30°，斜边AB＝a。棱镜材料的折射率
为n= 。如图在此截面所在的平面内，一条光线以45°的入
射角从AC边的中点M射入棱镜。求光线从棱镜射出点的位置？
(不考虑光线沿原来路线返回的情况)。 【解题探究】(1)当光线在AC界面上折射时，是否发生全反射?
提示：一定不发生全反射，因为是光从光疏介质进入光密介质。
(2)光线经AC界面折射后，折射光线再射到AB界面上时，如何判断是否发生全反射?
提示：算出折射光线在AB界面上的入射角，再与这种介质的临界角比较，若入射角大于等于临界角则发生全反射，否则不能发生全反射。 【标准解答】光路如图所示，
设入射角为α，折射角为β,由折射定律得
得β=30°
则F到A的距离
①
三角形AMF全等于三角形DMF，设折射光线与AB的交点为D，由几何关系可知，在D点的入射角为60°
得临界角C=45°,
所以光在D点全反射。
BD=a-2AF ②
BE=BDsin30° ③
由①②③得
答案：出射点在BC边上离B点 的位置 【互动探究】如图，若入射光线在法线的右侧，仍以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜，求光线从棱镜射出的位置。
【解析】光路如图所示，
同理由折射定律得
得β=30°
由几何关系可得光线在F点垂直AB射出，
出射点F到A的距离同上可得
答案：出射点在AB边上离A点 的位置【总结提升】有关全反射定律的应用技巧
(1)首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可。
(2)分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键。
(3)当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性。
(4)规范认真作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证。【变式训练】(2011·山东高考)如图所示，扇形AOB为透明柱
状介质的横截面，圆心角∠AOB=60°。一束平行于角平分线OM
的单色光由OA射入介质，经OA折射的光线恰平行于OB。
(1)求介质的折射率。
(2)折射光线中恰好射到M点的光线　　　　　　　(选填“能”
或“不能”)发生全反射。 【解析】依题意作出光路图如图甲所示。
(1)由几何知识可知，入射角i=60°,折射角r=30°。根据折射
定律得 代入数据得(2)由题意画出恰好经过M点的折射光线如图乙所示，可得出此
时射向M点的入射角为180°-30°-90°-30°=30°，全反射的
临界角 故不能发生全反射。
答案：(1) (2)不能【变式备选】如图所示abc是一块用折射率n=2的玻璃制成的透明体的横截面，ab是半径为R的圆弧，ac边与bc边垂直，∠aOc=60°。当一束平行黄色光垂直照到ac上时，ab部分的外表面只有一部分是黄亮的，其余是暗的。求黄亮部分的弧长为多少?【解析】假定光线MN射到ab界面上时恰好
发生了全反射，则MN上方的光线一定在
界面ab上发生了全反射，因此只有射到界
面Nb上的光线才能射出玻璃，界面Nb部分是亮的。
由sinC= ，得C=30°。
由几何关系知θ=30°，所以弧Nb的长度：
答案：二、全反射棱镜
1.全反射棱镜：用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜，其临界角约为42°，当光线垂直于直角边或垂直于斜边射入后，在下一个界面处的入射角为45°，由于大于临界角，光在该处发生全反射，若光垂直于直角边射入，在斜边处发生一次全反射后，从另一直角边射出，光的传播方向改变90°。若光垂直斜边射入棱镜，在两个直角边处各发生一次全反射，光的传播方向改变180°。2.全反射棱镜特点：
(1)与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%。
(2)反射面不必涂任何反光物质，反射失真小。
(3)克服了平面镜成多个像的问题。【学而后思】
(1)全反射棱镜的应用原理是什么?
提示：全反射棱镜的应用原理是光的全反射，必须要满足光发生全反射的条件。
(2)为什么全反射棱镜的反射性能比镀银的平面镜更好?
提示：全反射棱镜在全反射时没有折射现象，反射率几乎可以达到100%，并克服了成多个像的问题，故反射性能比镀银的平面镜更好。【典例2】如图所示，入射光1经全反射棱镜(即等腰直角三角形棱镜)两次反射后沿与入射光线平行且相反的方向射出，如图中光线2所示，若将棱镜绕顺时针方向转过一个较小的角度α(如图中虚线所示)，则( )
A.出射光线顺时针偏转α角
B.出射光线逆时针偏转α角
C.出射光线顺时针偏转2α角
D.出射光线方向不变 【解题探究】(1)当光线1垂直于AC面射入棱镜时，光线在两个直角边上是否都能发生全反射?
提示：光线在两个直角边上的入射角均为45°，均大于玻璃的临界角42°，故在两个直角边上都能发生全反射。
(2)若将棱镜绕顺时针方向转过一个较小的角度α，光线在两个直角边上是否都能发生全反射?
提示：光线在AB直角边上的入射角要大于45°，大于玻璃的临界角42°，故在AB直角边上能发生全反射；光线在BC直角边上的入射角为45°-α，无法确定是否大于玻璃的临界角42°，故在BC直角边上无法确定是否发生全反射，但反射一定存在。 【标准解答】选D。如图所示，
当棱镜绕A点转过一个较小的角度α时，这时光线1射向AC面时的入射角为α，折射后进入玻璃中，折射角小于α，这条光线射向AB面时的入射角略大于45°，而一般光由玻璃射入空气时发生全反射的临界角为42°，故这条在玻璃中的折射光线会在AB面上发生全反射，再射至BC面，从图中可以看出，最后射向AC面的光线与原来从AC射入的光线平行，根据折射定律可知：出射光线2′与原入射光线1平行。故D正确。 【变式训练】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，其框外光线如图所示。方框内有两个折射率n=1.5的玻璃全反射棱镜。能产生上述效果，下列四种放置方式正确的是( )【解析】选B。四个选项产生光路效果如图所示：
故B正确。 【变式备选】如图所示，abc为一全反射棱镜，它的主界面是等腰直角三角形。一束白光垂直入射到ac面上，在ab面上发生全反射，若光线入射点O的位置保持不变，改变光线的入射方向(不考虑自bc反射的光线)，则　(　　) A.使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则红光将首先射出
B.使入射光按图中所示的顺时针方向逐渐偏转，如果有色光射出ab面，则紫光将首先射出
C.使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，红光将首先射出ab面
D.使入射光按图中所示的逆时针方向逐渐偏转，紫光将首先射出ab面【解析】选A。白光垂直入射到ac面
上后射到ab面上，入射角为45°，发
生全反射说明棱镜的临界角C≤45°，
这是对从红光到紫光的所有色光说的。
当入射光顺时针偏转时，在ac面上发生色散，不同色光折射率
不同，红光偏折角小，紫光偏折角大，如图所示，射到ab面上
时红光入射角小，紫光入射角大，但它们都小于45°。另一方
面，棱镜对红光的临界角比紫光的临界角大，因此，入射光顺
时针逐渐偏转时，在ab面上红光的入射角将首先小于临界角而
射出ab面。如果入射光逆时针偏转，则经过ac面上的红光、紫光的入射角都大于45°，都发生全反射而不可能从ab面射出，故A正确。三、光导纤维及其应用
1.光导纤维的工作原理：
(1)全反射是光导纤维的基本工作原理。全反射的条件是：光
由光密介质射入光疏介质，但入射角大于或等于临界角。临界
角C的大小满足：(2)光导纤维的构造就是为了满足光的全反射。光纤一般由折
射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成。光在
光纤内传播时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角i≥C
(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射。实际用的光导纤
维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，
在内芯和外套的界面上发生全反射，如图所示。2.光纤通信：光也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为载体来传递信息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信。【学而后思】
微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂,光纤为什么要由两层介质构成?
提示：光纤的工作原理是全反射,要由两种介质配合才能产生全反射现象。 【典例3】如图所示是两个城市间的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中，则下列
判断中正确的是( )
A.n1B.n1C.n1>n2，光通过光缆的时间等于
D.n1>n2，光通过光缆的时间大于【解题探究】(1)光在光导纤维中产生全反射的条件是什么？
提示：光由光密介质进入光疏介质，即n1>n2，入射角大于临界角。
(2)光在介质中通过的路程和速度分别是多少？
提示：路程为 ,速度为 。 【标准解答】选D。光从光密介质射入光疏介质，才可能发生
全反射，故n1>n2；光在内芯传播的路程 光在内芯的
传播速度 所以 故D正确。【总结提升】对光导纤维的折射率要求
设光导纤维的折射率为n,当入射光线的入射角为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：
由以上各式可得： 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=C，则所有进入纤维中
的光线都能发生全反射，即有 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。【变式训练】光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务。目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络。下列说法正确的是( )
A．光纤通信利用光作为载体来传播信息
B．光导纤维传递光信号是利用光的折射原理
C．光导纤维传递光信号是利用光的色散原理
D．目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝【解析】选A、D。光纤通信利用光作为载体来传播信息，A项正确；光导纤维传递光信号是利用光的全反射原理，B、C项错；目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝，D项正确。【典例】横截面为矩形的玻璃棒被弯成如图所示的形状,一束
平行光垂直地射入水平表面A上,要使通过表面A射入的光全部
从表面B射出,比值 最小是多少?(玻璃的折射率n=1.5)【标准解答】在如图所示的光路中,从玻璃棒的A端面入射的光
线,可分为左、中、右,其中最右边的一条光线,最难发生全反
射,设其入射角为∠1,只有当 时,才发生全反射,
根据几何关系知
依题意有
将n=1.5代入上式,解得
答案：2关于全反射理解的三个误区
误区1：误认为入射角大于等于临界角就可以发生全反射
产生误区的原因是没有理解好全反射的条件,要发生全反射,不仅要入射角大于等于临界角,还要光从光密介质射入光疏介质。误区2：误认为光从光密介质射入光疏介质就可以发生全反射
产生误区的原因也是没有理解好全反射的条件,要发生全反射,不仅要光从光密介质射入光疏介质,还要入射角大于等于临界角。
误区3：误认为光纤就是光缆
产生误区的原因是对光纤通信的实际应用不熟悉，实际应用的光纤直径只有几微米到几十微米不等的细丝，实际使用时，通常把若干根光纤集成一束，制成光缆，不但提高了通信容量，也进一步提高了光纤的强度。 【典例】一束只含红光和紫光的复色光沿PO方向射入玻璃三棱镜然后分成两束光，并沿OM和ON方向射出(如图所示)，已知OM和ON两束光中只有一束是单色光，则( )
A.OM为复色光，ON为紫光
B.OM为复色光，ON为红光
C.OM为红光，ON为复色光
D.OM为紫光，ON为复色光【解析】通过以下表格进行逐项分析：