课件40张PPT。第四章 光的折射3.光的全反射全反射现象和全反射条件光疏 光密介质 相对 反射光线 入射角 光疏 容易
××√×全反射的应用——光导纤维全反射 全反射 声音 图像 抗干扰能力 √√√×点击右图进入…Thank you for watching !3.光的全反射
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.理解全反射现象和临界角的概念.
2.知道光疏介质、光密介质和发生全反射的条件．(重点)
3.能够解释全反射现象，会计算临界角．(重点、难点)
4.初步了解光导纤维的工作原理和光纤在生产、生活中的应用.
知识点一| 全反射现象和全反射条件
1．全反射现象
(1)光疏介质和光密介质
①概念：两种介质比较，折射率小的介质叫作光疏介质，折射率大的介质叫作光密介质．
②光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小．
③相对性：光疏介质和光密介质是相对的．
(2)全反射现象
光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象．
2．全反射条件
(1)临界角
我们把光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的入射角，称为这种介质的临界角．
(2)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入射角大于等于临界角．
(3)临界角与折射率的关系
①定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝.
②定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射．
1．光从空气射入水中时可能发生全反射现象． (×)
2．密度大的介质就是光密介质． (×)
3．两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质． (√)
4．光密介质和光疏介质具有绝对性． (×)
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．为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？
【提示】 水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮．
1．光密介质和光疏介质
(1)光疏介质与光密介质的相对性：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．
(2)光密介质和光疏介质与其密度的关系：不要把介质的疏密与介质的密度相混淆．密度大不一定是光密介质，密度小也未必是光疏介质，如水和酒精，水的密度大，但二者相比水是光疏介质；光密介质和光疏介质是相对的，介质密度的大小是绝对的．一般说来，同一种介质密度越大，对光的折射程度越大．
(3)由v＝可知：光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小．
2．入射光线、反射光线、折射光线的方向变化及能量分配关系
(1)折射角随着入射角的增大而增大；
(2)折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光线的强度增强，能量增大，亮度增加；
(3)当入射角增大到某一角度时(即临界角)，折射光能量减弱到零(即折射角为90°)，入射光的能量全部反射回来，这就是全反射现象．
3．公式sin C＝只适用于光由介质射向真空(或空气)时临界角的计算．
1．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．从玻璃射入水晶 B．从水射入二硫化碳
C．从玻璃射入水中 D．从水晶射入水
E．从玻璃射入二硫化碳
【解析】 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A、C、D正确．
【答案】 ACD
2.为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB面以60°入射角射入长方体时光线刚好不能从BC面射出，如图所示，该材料的折射率是多少？
【解析】 如图所示，根据折射定律：
n＝ ①
由题意可知sin C＝ ②
而C＝90°－r ③
由②③得cos r＝ ④
而cos r＝，
代入④得＝ ⑤
联立①和⑤解得n＝.
【答案】
解答全反射类问题的技巧
1．光必须从光密介质射入光疏介质．
2．入射角大于或等于临界角．
3．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，且在作光路图时尽量与实际相符，这样更有利于问题的分析．
知识点二| 全反射的应用——光导纤维
1．光导纤维对光的传导原理
利用了全反射原理．
2．光导纤维的构造
光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成．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
光纤通信就是把载有声音、图像和各种数字信号的激光从光纤的一端输入，沿着光纤传到另一端去．
4．光纤通信的主要优点
容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输速率高．
1．光纤通信的主要优点是容量大． (√)
2．在沙漠里看到的蜃景是一种全反射现象． (√)
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． (×)
1．炎热的夏天，在公路上有时能看到远处物体的倒影，这是一种什么现象？
【提示】 是一种蜃景现象，是由光的全反射造成的．
2．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．
1．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．因海面上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，如图所示．
(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临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较小的下一层．
(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．且虚像成像于远处的半空中，这就是海市蜃楼的景象．如图所示．
2．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)，仿佛是从水面反射出来的一样．沙漠里的行人常被这种景象所迷惑，以为前方有水源而奔向前去，但总是可望而不可及．
3．光导纤维
(1)构造：光导纤维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，如图所示．
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，外层包上折射率比它小的材料，再把若干根光纤集成一束，制成光缆，进一步提高了光纤的强度．
(2)原理：全反射是光导纤维的基本工作原理．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．
(3)应用：光纤通信是光导纤维的一个重要应用．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．
3．下述现象哪些是由于全反射造成的( )
A．露水珠或喷泉的水珠，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
E．利用“潜望镜”可以从水底观察水面上的情况
【解析】 露水珠或喷泉的水珠，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不正确；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；“潜望镜”利用了平面镜成像，为反射现象，E不正确．
【答案】 ACD
4.如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率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，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？
【解析】 (1)由n＝可得v＝2.1×108 m/s.
(2)由n＝可得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．由几何关系可以求出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＝＝2.7×10－8 s.
【答案】 (1)2.1×108 m/s (2)2.7×10－8 s
光导纤维问题的解题关键
1．第一步 抓关键点
关键点
获取信息
光导纤维
工作原理：全反射
光束不会侧漏
光束在侧壁发生全反射
2.第二步 找突破口
“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题．
课时分层作业(十六)
(建议用时：45分钟)
[基础达标练]
1．下列事例哪些应用了光的全反射现象( )
A．海市蜃楼
B．用三棱镜观察太阳光谱
C．某些光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°
D．水中的鱼看起来比实际的要浅
E．多面体钻石能够闪闪发光
【解析】 海市蜃楼和光学仪器中用等腰直角玻璃三棱镜改变光路90°是利用了光的全反射现象，故A、C项正确；用三棱镜观察太阳光谱和水中的鱼看起来比实际的要浅，都是光的折射现象，故B、D项错误．多面体钻石闪闪发光是因为全反射现象，E正确．
【答案】 ACE
2．已知介质对某单色光的临界角为C，则下列说法正确的是( )
A．该介质对单色光的折射率等于
B．此单色光在该介质中的传播速度等于csin C(c是光在真空中的传播速度)
C．此单色光在该介质中的传播波长是在真空中波长的sin C倍
D．此单色光在该介质中的频率是在真空中的倍
E．此单色光从真空射向介质，入射角大于C时一定发生全反射
【解析】 由临界角的计算式sin C＝得n＝，故选项A正确；将n＝代入sin C＝得sin C＝，故v＝csinC，故选项B正确；设该单色光的频率为f，在真空中的波长为λ0，在介质中的波长为λ，由波长、频率、波速的关系得c＝λ0f，v＝λf，由sin C＝＝得，λ＝λ0sin C，故选项C正确；该单色光由真空传入介质时，频率不发生变化，故选项D错误；此单色光从真空射向介质不会发生全反射，E错误．
【答案】 ABC
3．一束光从空气射向折射率为n＝的某种玻璃的表面，如图所示，i代表入射角，则( )
A．当i＞45°时，会发生全反射现象
B．无论入射角i是多大，折射角r都不会超过45°
C．欲使折射角r＝30°，应以i＝45°的角入射
D．当入射角i＝arctan 时，反射光线跟折射光线恰好互相垂直
E．当光从玻璃射向空气时， 一定会发生全反射
【解析】 由于光从光疏介质射向光密介质，所以不会发生全反射，A项错，B对；由折射定律计算可知C、D两项正确；光从玻璃射向空气，入射角大于临界角时才能发生全反射，E错误．
【答案】 BCD
4．下列说法中正确的是( )
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
E．光疏介质和光密介质相对于折射率来确定，与密度无关
【解析】 光在各种介质中的传播速度和介质相对真空的折射率都是不同的．两种介质相比较光在其中传播速度大，而折射率小的介质叫光疏介质；光在其中传播速度小，而折射率大的介质叫光密介质．光疏介质和光密介质与密度无关，A、C错误，B、D、E正确．
【答案】 BDE
5．关于全反射，下列说法中正确的是( )
A．发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，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
E．介质的临界角越小就越容易发生全反射
【解析】 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．介质的临界角越小越容易发生全反射，A、B错误，C、D、E正确．
【答案】 CDE
6．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递信息
B．光导纤维传递光信号是利用光沿直线传播的原理
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
E．光在光纤内不断地发生全反射，中途不会侧漏
【解析】 光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝．故A、D、E正确，B、C错误．
【答案】 ADE
7.如图所示，一束光线从空气射入某介质，入射光线与反射光线夹角为90°，折射光线与入射光线延长线间夹角θ为15°，求：
(1)该介质的折射率；
(2)光在该介质中传播的速度；
(3)当光从介质射入空气时的临界角．
【解析】 (1)由反射定律可知α＝β，由于α＋β＝90°，故入射角α＝45°；
由图可知r＋θ＝α＝45°，由于θ＝15°，故折射角r＝30°，所以该介质的折射率n＝＝＝.
(2)由折射率与速度的关系n＝得v＝＝ m/s＝2.12×108 m/s.
(3)光从介质射入空气时临界角的正弦值sin C＝＝＝，故临界角C＝45°.
【答案】 (1) (2)2.12×108 m/s (3)45°
8.如图所示，AB为光导纤维，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.
【解析】 设介质的折射率为n，则有
sin α＝sin C＝ ①
n＝ ②
t＝＝ ③
由以上三式解得t＝＝，所以n＝.
【答案】
[能力提升练]
9．△OMN为玻璃等腰三棱镜的横截面．a、b两束可见单色光从空气垂直射入棱镜底面MN，在棱镜侧面OM、ON上反射和折射的情况如图所示．由此可知( )
A．棱镜内a光的传播速度比b光的小
B．棱镜内a光的传播速度比b光的大
C．a光的频率比b光的高
D．a光的波长比b光的长
E．a光的临界角大于b光的临界角
【解析】 由题图可知，a、b两单色光以相同的入射角分别射向OM、ON两界面，b光发生全反射，而a光发生折射，所以a光的折射率小于b光的折射率，因此a光的波长比b光的波长大，D正确；又v＝，则在棱镜内a光的传播速度比b光的大，B正确．由图可知，a光的临界角大于b光的临界角，E正确．
【答案】 BDE
10.如图所示，空气中有一横截面为半圆环的均匀透明柱体，其内圆半径为r，外圆半径为R，R＝r.现有一束单色光垂直于水平端面A射入透明柱体，只经过两次全反射就垂直于水平端面B射出．设透明柱体的折射率为n，光在透明柱体内传播的时间为t，若真空中的光速为c，则( )
A．n可能为
B．n可能为2
C．t可能为
D．t可能为
E．t可能为
【解析】 根据题意可画出光路图如图所示，则两次全反射时的入射角均为45°，所以全反射的临界角C≤45°，折射率n≥＝，A、B均正确；光在介质中的传播速度v＝≤，所以传播时间t＝≥，C、D错误，E正确．
【答案】 ABE
11.如图所示为用某种透明材料制成的一块柱形棱镜的截面图，圆弧CD为半径为R的四分之一的圆周，圆心为O，光线从AB面上的某点入射，入射角θ1＝45°，它进入棱镜后恰好以临界角射在BC面上的O点．
(1)画出光线由AB面进入棱镜且从CD弧面射出的光路图；
(2)求该棱镜的折射率n；
(3)求光线在该棱镜中传播的速度大小v(已知光在空气中的传播速度c＝3.0×108 m/s)．
【解析】 (1)光路图如图所示．
(2)光线在BC面上恰好发生全反射，入射角等于临界角C，sin C＝，cos C＝.
光线在AB界面上发生折射，折射角θ2＝90 °－C，由几何关系得sin θ2＝cos C，由折射定律得n＝，由以上几式联立解得n＝.
(3)光速v＝＝×108 m/s.
【答案】 (1)见解析图 (2) (3)×108 m/s
12.如图所示，AOB是由某种透明物质制成的圆柱体的横截面(O为圆心)，其折射率为.今有一束平行光以45°的入射角射向柱体的OA平面，这些光线中有一部分不能从柱体的AB面上射出．设凡射到OB面的光线全部被吸收，也不考虑OA面的反射，求圆柱AB面上能射出光线的部分占AB表面的几分之几？
【解析】 如图所示，从O点射入的光线，折射角为γ，
根据折射定律有：n＝，解得γ＝30°.
设从某位置P点入射的光线，折射到AB弧面上Q点时，入射角恰等于临界角C，有：
sin C＝，代入数据得：C＝45°.
所以能射出光线的区域对应的圆心角β＝C＝45°，
故能射出光线的部分占AB表面的比例为＝.
【答案】
