4-2、3 光的全反射 光导纤维及其应用 课件

课件39张PPT。第2节　光的全反射
第3节　光导纤维及其应用1．知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念．
2．理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象．
3．了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用. 一、全反射
光疏介质和光密介质
两种介质相比较光在其中传播速度 ，而折射率 的介质叫光疏介质．
光在其中传播速度 ，而折射率 的介质叫光密介质．大小小大?全反射
光由 介质射向 介质时，折射角大于入射角，当入射角增大时，反射光 ，折射光 ，继续增大入射角，当折射角达到 时，折射光全部消失，入射光全部被反射回原介质，当入射角再增大时，入射光仍被界面全部反射回原介质，这种现象叫全反射．
?临界角
折射角为90°时的 ，称为全反射临界角，简称临界角，用 表示．光密光疏增强减弱90°入射角C?产生全反射的条件
(1)光从 介质射向 介质；
(2)入射角 临界角．
二、全反射棱镜
截面为 的棱镜为全反射棱镜，其作用是改变光的 ．只要光 于它 一个界面射入后，都会在其内部发生 ．光密光疏大于或等于等腰直角三角形传播方向垂直任意全反射三、光导纤维
?光导纤维对光的传导原理：利用了 原理．光导纤维构造
由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套 ，光传播时在内芯和外套的界面上发生 (如图4-2、3-1所示). 全反射大全反射图4-2、3-1一、对全反射的理解
?光疏介质和光密介质的理解
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或光密介质．?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．二、常见全反射现象的应用例析
?对“海市蜃楼”的解释
由于空中大气的折射和全反射，会在空中出现“海市蜃楼”．在海面平静的日子，站在海滨，有时可以看到远处的空中出现了高楼耸立、街道棋布、山峦重叠等景象．(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．因海面附近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、3-2所示．图4-2、3-2(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等于临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层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．且虚像成像在远处的半空中，这就是海市蜃楼的影像．如图4-2、3-3所示．图4-2、3-3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影(如图4-2、3-4所示)，仿佛是从水面反射出来的一样，沙漠里的行人常被这种影像所迷惑，以为前方有水源而奔向前去，但总是可望而不可及．图4-2、3-4特别提醒 (1)“沙漠蜃景”和“海市蜃楼”虽然都是由空中大气对光线的折射和全反射形成的，但因空气折射率大小分布有所不同，使得光线偏折情况有所不同．(2)“沙漠蜃景”是倒立的虚像，而“海市蜃楼”是正立的虚像. 【典例1】 下列说法正确的是 (　　)．
A．因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质
B．因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来
说是光疏介质
C．同一束光，在光密介质中的传播速度较大
D．同一束光，在光密介质中的传播速度较小对全反射现象的理解答案　BD【变式1】 关于全反射，下列叙述中正确的是 (　　)．
A．发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱
B．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现 象
C．光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现 象
D．光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象
解析　发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以选项A错误；发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，二者缺一不可，所以选项B、D错误．选项C正确．
答案　C【典例2】 光导纤维的结构如图4-2、3-5所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播，以下关于光导纤维的说法正确的是 (　　)．全反射现象的应用图4-2、3-5
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发生全反射
C．内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射
D．内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用
解析　光导纤维的内芯折射率大于外套的折射率，光在由内芯射向外套时，在其界面处发生全反射，从而使光在内芯中传播，A对．
答案　A【变式2】 如图4-2、3-6所示，夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中．古人不明白产生这种景象的原因，对它作了不科学的解释，认为是海中蛟龙(即蜃)吐出的气结成的，因而叫做“海市蜃楼”，也叫蜃景．沙漠里有时也会看到远处的水源、仙人掌近在咫尺，可望而不可即，这也是“蜃景”．下列有关蜃景的说法中错误的是 (　　)．图4-2、3-6
A．海面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
B．沙面上层空气的折射率比下层空气的折射率要小
C．A是蜃景，B是景物
D．C是蜃景，D是景物解析　海面上，下层空气的温度比上层低，则下层空气的密度比上层要大，故下层空气的折射率比上层空气的折射率要大，选项A正确．由于人眼认为光线是沿直线传播的，故A是蜃景，B是景物，选项C正确．太阳照到沙面上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小，即上层折射率大，选项B错误；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．人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒影，故C是蜃景，D是景物，选项D正确．
答案　B全反射的定量计算图4-2、3-7答案　30°　光路图如下【变式3】 如图4-2、3-8所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧状，一细束单色光由MN端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF上发生全反射，然后垂直PQ端面射出．
(1)求该玻璃棒的折射率．
(2)若将入射光向N端平移，当第一次射到弧面EF上时________(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射．图4-2、3-8(2)如图所示若将入射光向N端平移，第一次射到弧面EF上的入射角将增大，即大于临界角45°，所以能发生全反射.
答案　(1)　(2)能对全反射现象的理解
1.如图4－2、3－9所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ.光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则 (　　)．图4－2、3－9
A．只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象
B．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象
C．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象
D．不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象
解析　在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不能发生全反射现象，则选项C正确．在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，故选项D也正确．
答案　CD 全反射现象的应用
2.如图4－2、3－10所示，一根长直的
光导纤维，它的折射率为n.如果把该
光纤放在空气中，要使从它的一个端
面进入光纤的光发生全反射，最大的
入射角的正弦值是多少？图4－2、3－10全反射的定量计算
3.在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好与桌面接触，圆锥的轴(图4－2、3－11中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面为等边三角形，如图4－2、3－11所示．有一半径为r的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合．已知玻璃的折射率为1.5，则光束在桌面上形成的光斑半径为 (　　)．
A．r B．1.5 r C．2 r D．2.5 r 图4－2、3－11答案　C