4.2全反射 课件—2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册（35张PPT）

4.2 全反射
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;
3.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决有关的问题;
4.知道全反射棱镜、光导纤维及其应用;
5.了解一些全反射现象。
学习重点：1、全反射现象、临界角的计算
2、全反射的应用
学习难点：1、判断是否发生全反射画出光路图
2、利用全反射解释实验现象
思考：你知道为什么炎热夏天柏油路面有时看起来特别明亮吗？水中的气泡看上去特别明亮，这又是为什么呢？
这都是发生了全反射现象，今天我们就来学习全反射。
一、全反射
1.光疏介质与光密介质
（1）光疏介质：折射率较小的介质，光在光疏介质中传播速度相对较大。
（2）光密介质：折射率较大的介质，光在光密介质中传播速度相对较小。
特别提醒
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。
（3）光疏介质与光密介质是相对的
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断谁是光疏介质或光密介质。
水、水晶和金刚石三种物质相比较，水晶对水来说是光密介质，对金刚石来说则是光疏介质。
（4）光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的小n=cv?。
?
（5）光由光疏介质射入光密介质，折射角小于入射角。
（6）光由光密介质射入光疏介质，折射角大于入射角。
θ1
?
θ2
?
O
空气
水
光疏介质
光密介质
思考：光由光密介质进入光疏介质时，如果入射角不断增大，使折射角增大到90? 时，会出现什么现象？
θ1
?
θ2
?
O
光疏介质
光密介质
空气
水
让光由水射入空气中，在水与空气的界面上会发生反射和折射。逐渐减小或增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化。
演示：观察反射、折射和全反射现象
θ2
?
O
光疏介质
光密介质
空气
水
视频：观察反射、折射和全反射现象。
光由光密介质射入光疏介质时，同时发生反射和折射
（1）入射角逐渐减小时，反射角和折射角都减小，并且反射光线越来越弱，折射光线越来越强。
（2）如果入射角逐渐增大,折射光离法线会越来越远,而且越来越弱,反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失。
2.全反射
（1）定义：当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，折射光离法线会越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射。
（2）临界角：光从光密介质射入光疏介质,使折射角变为90°时的入射角,称为这种介质的临界角,用字母C表示。
思考与讨论：由于不同介质的折射率不同，在光从介质射入空气（真空）时，发生全反射的临界角是不一样的。怎样计算光从折射率为 n 的某种介质射入空气（真空）发生全反射时的临界角 C ？
θ2
?
O
空气
θ1
?
N
N/
介质
A
B
分析：光以接近 90°的入射角从空气射入介质，求出这时的折射角。根据光路可逆的道理，也就知道光从介质射入空气时发生全反射的临界角了。
临界角C的大小由折射率可得：
θ2
?
O
空气
θ1
?
N
N/
介质
A
B
临界角的正弦值：
（3）临界角C与折射率n的关系。
①定量关系:光由介质射入空气(或真空)时,
sin C=1n。?
?
介质
水
玻璃
金刚石
折射率n
1.33
1.5~1.9
2.42
临界角C
48.8 °
32 °~ 42 °
24.4 °
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。
（2）发生全反射的条件
①光由光密介质射入光疏介质；
3.自然界中常见的现象
（1）炎热夏天柏油路面有时看起来特别明亮，这是因为贴近热路面附近的空气层比上层空气的折射率小，从远处物体射向路面的部分光线发生了全反射，所以，从远处看，炎热夏天柏油路面有时看起来特别明亮。
（2）水中或玻璃中的气泡，看起来特别明亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故。
②入射角等于或大于临界角。
（3）海市蜃楼和沙漠蜃景
例1.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，也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
D
【答案】D
【详解】
A．发生全反射时，所有光线全部反射，没有折射光线，A错误；
B．光线从光密介质射向光疏介质时，并且入射角大于临界角时，才会发生全反射现象，B错误；
C．光从光疏介质射向光密介质时，入射角大于折射角，不可能发生全反射现象，C错误；
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，使反射的光线特别强，从而看起来特别明亮，D正确。
故选D。
变式训练：一束光线穿过介质1、2、3时，光路如图所示，则（　　）
A．介质1的折射率最大
B．介质2是光密介质
C．光在介质2中的速度最小
D．当入射角由45°逐渐增大时，
在1、2分界面上可能发生全反射
D
技法点拨：
由sin30°< sin45°< sin60°，知 n3>n1>n2，介质3的折射率最最大，介质2的折射率最小，介质2对介质1和介质3来说都是光疏介质， v=c????? ，光在介质2中的速度最大，从光疏介质进入光密介质，可能发生全反射，D正确。
?
二、全反射棱镜和光导纤维
1.全反射棱镜
（1）截面为等腰直角三角形的玻璃棱镜,当光线垂直任意一个表面射入时,在棱镜内部都能发生全反射,所以这样的棱镜叫全反射棱镜。
全反射棱镜
（2）由于光的方向与玻璃面垂直，光线不发生偏折。但在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，入射角大于临界角，发生全反射。
（3）与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达 100%。这种棱镜在光学仪器中可用来改变光的方向。
双筒望远镜中的全反射棱镜
全反射棱镜
全反射棱镜
2.光导纤维
1966 年，33 岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维。
高锟（1933-2018）
光导纤维
演 示：观察光在弯曲的有机玻璃棒中传播的路径
激光笔发出的光射入一根弯曲的有机玻璃棒的一端，观察光传播的路径有什么特点。
视频：光在弯曲的有机玻璃棒中传播的路径
（1）光传播的路径有特点：当有机玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在有机玻璃棒内沿着锯齿形路线传播。
（2）光导纤维
由折射率较大的内芯和折射率较小的外套组成，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、医学上的内窥镜。
如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。
(4)光导纤维的优点：容量大，衰减小，抗干扰强。
控制钮
目镜
物镜
光导纤维
内窥镜
做一做
水流导光
将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。用激光水平射向塑料瓶小孔，激光可由激光笔产生，观察光的传播路径。
水流导光
视频：水流导光
例2. 光纤通讯中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图所示，可看成一段直线，其内芯和外套的材料不同，光在内芯中传播。下列关于光纤的说法中正确的是（　　）
A．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
B．内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与外界的界面上发生全反射
C．波长越长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
C
【答案】C
【详解】
AB．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。AB错误；
CD．波长越长，光在内芯中的折射率越小，频率越大，光在内芯中的折射率越大，根据 可知，波长越长的光在光纤中传播的速度越大。C正确，D错误。
故选C。
变式训练：如图所示,AB为一直光导纤维,AB之间距离为s,使一光脉冲信号从光导纤维中间入射,射入后在光导纤维内芯与外套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。
n=cts
?
答案：
技法点拨：
光导纤维是全反射现象的应用,其构造由内芯和外套组成,内芯的折射率大于外套。与此题相关的一类求极值的问题,极值存在的条件均与全反射临界角有关。
全反射
全反射
全反射棱镜
光疏介质、光密介质
全反射
定义
临界角C
全反射的产生条件
全反射原理的应用实例
光导纤维
再见