資源簡介

4.2 全反射
學習目標
1、知道什么是光疏介質，什么是光密介質。
2、理解光的全反射現象。
3、理解臨界角的概念，能判斷是否發生全反射，并能解決相關的問題。
4、知道光導纖維原理及其作用。
重點難點
1、理解理解光的全反射現象。（重點）
2、理解臨界角的概念，能判斷是否發生全反射并能畫出相應的光路。（重點）
3、知道臨界角的概念；知道臨界角是發生全反射的最小入射角。（難點）
4、知道發生全反射的條件。（難點）
自主探究
一、全反射
1、光密介質、光疏介質
對于折射率不同的兩種介質，我們把折射率較小的介質稱為光疏介質，折射率較大的介質稱為光密介質。
2、全反射及臨界角的概念
(1)全反射：光從光密介質射入光疏介質時，若入射角增大到某一角度，折射光線就會完全消失，只剩下反射光線的現象。
(2)臨界角：剛好發生全反射即折射角等于90°時的入射角．用字母C表示，則sinC＝。
3、全反射的條件
要發生全反射，必須同時具備兩個條件：
(1)光從光密介質射入光疏介質。
(2)入射角等于或大于臨界角。
二、全反射的應用
1、全反射棱鏡
全反射棱鏡的截面是等腰直角三角形，當光垂直于直角邊射向棱鏡時，光的傳播方向改變了90°角，當光垂直于斜邊射向棱鏡時，光的傳播方向改變了180°角。
2、光導纖維及其應用
(1)光導纖維對光的傳導原理：利用了光的全反射。
(2)光導纖維的構造：光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑從幾微米到一百微米，由內芯和外套兩層組成。內芯的折射率比外套的折射率大，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全反射。
(3)光導纖維的應用——光纖通信
光纖通信的主要優點是傳輸容量大，此外光纖傳輸還有衰減小、抗干擾性及保密性強等多方面的優點。
探究思考
一、全反射的理解
1、對全反射的理解
（1）全反射是光的折射的特殊現象，全反射現象還可以從能量變化角度加以理解。當光線從光密介質射入光疏介質，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增張，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能員已經減弱為零，發生了全反射。此時反射光的能量等于入射光的能量。
（2）發生全反射的條件：光從光密介質射向光疏介質，同時，入射角大于或等于臨界角。
（3）全反射遵循的規律：光由光密介質射向光疏介質發生全反射時遵守反射定律。
2、臨界角
（1）臨界角的定義：折射角為90°時的入射角稱為全反射臨界角，簡稱臨界角，用C表示。
（2）臨界角C的表示式：由折射定律知，光由某介質射向真空(或空氣)時，若剛好發生全反射，則，所以，即。
（3）不同色光的臨界角：不同顏色的光由同一介質射向空氣或真空時，頻率越高的光的臨界角越小，越易發生全反射。
【典例一】1、已知紅光在某玻璃和真空的界面上發生全反射的臨界角為45°,紅光在真空中傳播的速度為c,下列說法正確的是( )
A.該玻璃對紅光的折射率大于
B.紅光在該玻璃中的波長是在真空中波長的
C.紅光在該玻璃中的頻率是在真空中的倍
D.紅光從真空射向該玻璃中,入射角大于45°時一定發生全反射
解題思路：由全反射臨界角的計算式得,故A錯誤;由得,設紅光的頻率為f,在真空中的波長為,在該玻璃中的波長為,由波長、頻率、波速的關系得,,由得,,故B正確;該紅光由真空傳入介質時,頻率不發生變化,故C錯誤;由全反射的產生條件知紅光從真空射向介質不會發生全反射,D錯誤。
答案：B
二、全反射的兩個應用模型——全反射棱鏡、光導纖維
1、全反射棱鏡的作用及應用
（1）作用：橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡，全反射K鏡是一種特殊的棱鏡，在光學儀器中用來改變光的方向。
（2）應用：對于精密的光學儀器，如照相機、望遠鏡、顯微鏡等，就需要用全反射棱鏡代替平面鏡，以增加亮度并消除多余的像。
2、光導纖維
（1）光導纖維：用光密介質制成的用來傳導光信號的纖維狀的裝置。
（2）光纖原理：“光纖通信”利用了全反射原理。
實際用的光導纖維是非常細的特制玻璃絲，一定程度上可以彎折，直徑只有幾微米到一百微米之間，由內芯和外套組成。
如圖所示，內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全射，使反射光的能量最強，實現遠距離傳送。
（3）光纖的應用：攜帶著數碼信息、電視圖像、聲音等的光信號沿著光纖傳輸到很遠地方，實現光纖通信。
3、全反射棱鏡的應用示例
橫截面是等腰直角三角形的棱鏡是全反射棱鏡。它在光學儀器里，常用來代替平面鏡，改變光的傳播方向。光通過全反射棱鏡時的幾種方式：
【典例二】2、如圖所示，三棱鏡的橫截面為直角三角形，長為20 cm，三棱鏡材料的折射率為，一束平行于底邊的單色光從邊上的中點O射入此棱鏡，已知真空中光速為。下列說法錯誤的是( )
A.光束在三棱鏡里傳播的速度為
B.光束從邊射入的折射角為
C.光束能從邊射出
D.光束在三棱鏡里傳播的時間為
解題思路：該光束在三棱鏡里傳播的速度為，A正確；作出光路圖如圖所示，由折射定律，解得，B正確；由臨界角公式知，得，光束到達邊時，由幾何關系可知入射角，光束將發生全反射，所以光束不能從邊射出，C錯誤；由幾何關系，，則，故光束在三棱鏡里傳播的時間，D正確。
答案： C
隨堂訓練
1、直線過均勻玻璃球球心O，細光束平行且關于對稱，光束由空氣射入玻璃球的光路如圖。則（ ）
A.玻璃對a光的折射率較大
B.a光的臨界角較小
C.b光在玻璃中的傳播速度較小
D.b光在玻璃中的傳播時間較短
答案：C
2、如圖，兩束單色光分別沿半徑方向由空氣射入半圓形玻璃磚，出射時合成一束復色光，下列說法正確的是( )
A.光的頻率小于光的頻率
B.在玻璃磚中光的傳播速度小于光的傳播速度
C.玻璃磚對光的折射率大于對光的折射率
D.兩種單色光由玻璃射向空氣時，光的臨界角較小
答案： A
3、如圖是一段因拉伸速度不均勻而形成的不合格光纖產品，呈圓臺形。一單色光射到上邊界O點并射出光纖，進入真空中時，入射角為30°，折射角為53°（），則( )
A.此光纖的折射率為0.625
B.該單色光在光纖中的傳播速度為
C.減小單色光在O點的入射角可以提高光能傳輸效率
D.同一單色光在此光纖內發生全反射時對應的臨界角等于在圓柱形光纖內發生全反射時對應的臨界角
答案：BD
4、如圖所示,兩塊半徑均為的半圓形玻璃磚正對放置,其折射率均為;沿豎直方向的兩條直徑相互平行,一束單色光正對圓心從點射入左側半圓形玻璃磚,已知，若不考慮光在各個界面的二次反射,下列說法正確的是（ ）
A.減小,光線可能在面發生全反射
B.間距大小與光線能否從右半圓形玻璃磚右側射出無關
C.如果間距大于,光線不能從右半圓形玻璃磚右側射出
D.如果間距等于,光線穿過兩個半圓形玻璃磚的總偏折角為15°
答案：AD
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