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2　全反射
[學習目標]　1.知道光疏介質和光密介質，理解它們的相對性。2.知道光的全反射，會利用全反射解釋有關現象(重點)。3.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圖(重難點)。4.了解全反射棱鏡和光導纖維。
一、全反射
1．光疏介質和光密介質
(1)光疏介質：折射率較________(填“大”或“小”)的介質。
(2)光密介質：折射率較________(填“大”或“小”)的介質。
(3)光疏介質與光密介質是________(填“相對”或“絕對”)的。
2．全反射現象
(1)全反射：光從________介質射入________介質時，同時發生折射和反射。當入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，______光完全消失，只剩下________光的現象。
(2)臨界角：剛好發生全反射，即折射角等于________時的入射角。光從________射入________時，發生全反射的臨界角C與介質的折射率n的關系是sin C＝________。
(3)全反射發生的條件
①光從________介質射入________介質。
②入射角__________________臨界角。
“因為玻璃密度較大，所以一定是光密介質”，這種說法對嗎？
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1．光疏介質和光密介質
(1)光疏介質和光密介質的比較
光的傳播速度 折射率
光疏介質 大 小
光密介質 小 大
(2)相對性：光疏介質、光密介質是相對的。任何兩種透明介質都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質或光密介質。
(3)光疏和光密是從介質的光學特性來說的，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質。
2．全反射中的能量問題
當光從光密介質射入光疏介質時，隨著入射角增大，折射角也增大。同時折射光線強度減弱，即折射光的能量減小，反射光強度增強，能量增加，當入射角達到臨界角時，折射光強度減弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。
(1)全反射是反射光線與折射光線重合的一種現象。(　　)
(2)光線從光疏介質射向光密介質時，也可能發生全反射。(　　)
例1　(2022·江蘇南京市高二期中)如圖所示，一個半徑為r的圓木板靜止在某種液體的表面，在圓木板圓心O的正下方H＝r處有一點光源S，已知液體的折射率n＝，求：
(1)沿圓木板邊緣出射的折射光線的折射角；
(2)將點光源S豎直向上移動多少距離后，水面上方恰好看不到S發出的光。
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例2　(2022·江蘇鹽城市高二期中)如圖所示為一橫截面為直角三角形ABC的玻璃棱鏡，其中∠A＝30°，D點在AC邊上，A、D間距為L，AB＝2L。一條光線平行于AB邊從D點射入棱鏡，經AB邊反射后垂直BC邊射出，已知真空中的光速為c，求：
(1)通過計算說明光束能否在AB面上發生全反射；
(2)光束在三棱鏡中傳播的時間。
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二、全反射棱鏡
自行車的尾燈采用了全反射棱鏡的原理。它雖然本身不發光，但在夜間騎行時，從后面開來的汽車發出的強光照到尾燈后，會有較強的光被反射回去，使汽車司機注意到前面有自行車。尾燈的原理如圖所示，你知道汽車燈光是從尾燈的哪面射過來的，又是在哪面發生的全反射嗎？
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1．全反射棱鏡的形狀：截面為______________三角形的棱鏡。
2．全反射棱鏡的特點：當光垂直于它的一個界面射入后，都會在其內部發生__________，與平面鏡相比，它的反射率________，幾乎可達100%，常用來代替平面鏡來____________________。
3．全反射棱鏡的應用：__________________、自行車尾燈、潛望鏡等。
全反射棱鏡改變光路的幾種情況
　 入射方式 項目 方式一 方式二 方式三
光路圖
入射面 AB AC AB
全反射面 AC AB、BC AC
光線方向改變角度 90° 180° 0°(發生側移)
例3　空氣中兩條光線a和b從方框左側入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖所示。方框內有兩個折射率n＝1.5的全反射玻璃棱鏡。下列選項給出了兩棱鏡的四種放置方式的示意圖。其中能產生圖中效果的是(　　)
三、光導纖維
1．原理：利用了光的____________。
2．構造：由內芯和外套兩層組成，內芯的折射率比外套的________，光傳播時在________________的界面上發生全反射。
3．光導纖維的應用
(1)光纖通信
①光導纖維的傳播原理：光由一端進入，在內芯和外套的界面上經過多次全反射，從另一端射出，光導纖維可以遠距離傳播光信號，光信號又可以轉換成電信號，進而轉變為聲音、圖像。
②光纖通信的優點：傳輸容量__________、衰減________、抗干擾性及保密性強等。
(2)醫學上的內窺鏡：內窺鏡有兩組光纖，一組把光傳送到人體內部進行________，另一組把________________傳出供醫生觀察。
(1)光導纖維的內芯是光密介質，外套是光疏介質。(　　)
(2)光在光纖中傳播時，在外套與空氣的界面上發生全反射。(　　)
例4　(2023·江蘇淮安市高二期中)光纖通信中信號傳播的主要載體是光纖，它的結構如圖所示，可看成一段直線，其內芯和外套的材料不同，光在內芯中傳播。下列關于光纖的說法中正確的是(　　)
A．內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全反射
B．內芯的折射率比外套的大，光傳播時在外套與外界的界面上發生全反射
C．波長越長的光在光纖中傳播的速度越大
D．頻率越大的光在光纖中傳播的速度越大
例5　(2022·江蘇南通市高二期中)以光纖通信為基礎，我國千兆寬帶已經進入很多家庭，在進入小區的光纖控制箱中，光纖繞成圖示形狀，已知光纖的折射率n＝，其直徑為d。
(1)求該光纖的臨界角；
(2)若平行軸線射入的一束光通過圓弧部分不發生漏光，求內圓弧半徑的最小值。
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2　全反射
[學習目標]　1.知道光疏介質和光密介質，理解它們的相對性。2.知道光的全反射，會利用全反射解釋有關現象(重點)。3.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圖(重難點)。4.了解全反射棱鏡和光導纖維。
一、全反射
1．光疏介質和光密介質
(1)光疏介質：折射率較小(填“大”或“小”)的介質。
(2)光密介質：折射率較大(填“大”或“小”)的介質。
(3)光疏介質與光密介質是相對(填“相對”或“絕對”)的。
2．全反射現象
(1)全反射：光從光密介質射入光疏介質時，同時發生折射和反射。當入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光的現象。
(2)臨界角：剛好發生全反射，即折射角等于90°時的入射角。光從介質射入空氣(真空)時，發生全反射的臨界角C與介質的折射率n的關系是sin C＝。
(3)全反射發生的條件
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。
“因為玻璃密度較大，所以一定是光密介質”，這種說法對嗎？
答案　不對，光密介質和光疏介質具有相對性，如玻璃相對于水是光密介質，而相對于金剛石則是光疏介質。
1．光疏介質和光密介質
(1)光疏介質和光密介質的比較
光的傳播速度 折射率
光疏介質 大 小
光密介質 小 大
(2)相對性：光疏介質、光密介質是相對的。任何兩種透明介質都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質或光密介質。
(3)光疏和光密是從介質的光學特性來說的，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質。
2．全反射中的能量問題
當光從光密介質射入光疏介質時，隨著入射角增大，折射角也增大。同時折射光線強度減弱，即折射光的能量減小，反射光強度增強，能量增加，當入射角達到臨界角時，折射光強度減弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。
(1)全反射是反射光線與折射光線重合的一種現象。(　×　)
(2)光線從光疏介質射向光密介質時，也可能發生全反射。(　×　)
例1　(2022·江蘇南京市高二期中)如圖所示，一個半徑為r的圓木板靜止在某種液體的表面，在圓木板圓心O的正下方H＝r處有一點光源S，已知液體的折射率n＝，求：
(1)沿圓木板邊緣出射的折射光線的折射角；
(2)將點光源S豎直向上移動多少距離后，水面上方恰好看不到S發出的光。
答案　(1)45°　(2)0.73r
解析　(1)由折射定律n＝＝，
解得θ1＝45°
(2)剛好發生全反射時sin C＝，
解得C＝45°，此時光源與O距離h＝
光源S上移距離的最小值dmin＝H－h＝(－1)r＝0.73r。
例2　(2022·江蘇鹽城市高二期中)如圖所示為一橫截面為直角三角形ABC的玻璃棱鏡，其中∠A＝30°，D點在AC邊上，A、D間距為L，AB＝2L。一條光線平行于AB邊從D點射入棱鏡，經AB邊反射后垂直BC邊射出，已知真空中的光速為c，求：
(1)通過計算說明光束能否在AB面上發生全反射；
(2)光束在三棱鏡中傳播的時間。
答案　(1)能　(2)
解析　(1)光路如圖所示。
因為光線垂直BC邊射出，可知β＝30°，光線在E點發生反射，根據光的反射定律有α＝30°，
根據幾何關系可知r＝30°，光線平行于AB邊從D點射入棱鏡，入射角θ＝60°，
由折射定律有n＝＝，sin C臨＝＝根據幾何關系可得光束在AB界面上的入射角i2＝60°，大于臨界角，因此光束能在AB面上發生全反射。
(2)△ADE為等腰三角形，
由幾何關系有DE＝AD＝L
又EB＝AB－2L·cos 30°
則EF＝EB·cos β＝1.5L
光束在棱鏡中傳播的路程為s＝DE＋EF＝2.5L
光束在棱鏡中傳播的速度v＝
光束在棱鏡中傳播的時間為t＝＝。
二、全反射棱鏡
自行車的尾燈采用了全反射棱鏡的原理。它雖然本身不發光，但在夜間騎行時，從后面開來的汽車發出的強光照到尾燈后，會有較強的光被反射回去，使汽車司機注意到前面有自行車。尾燈的原理如圖所示，你知道汽車燈光是從尾燈的哪面射過來的，又是在哪面發生的全反射嗎？
答案　如圖所示，光線應該從右邊入射，在左邊兩個直角邊上連續發生兩次全反射，利用全反射棱鏡的原理使入射光線偏折180°。
1．全反射棱鏡的形狀：截面為等腰直角三角形的棱鏡。
2．全反射棱鏡的特點：當光垂直于它的一個界面射入后，都會在其內部發生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高，幾乎可達100%，常用來代替平面鏡來改變光的方向。
3．全反射棱鏡的應用：雙筒望遠鏡、自行車尾燈、潛望鏡等。
全反射棱鏡改變光路的幾種情況
入射方式 項目 方式一 方式二 方式三
光路圖
入射面 AB AC AB
全反射面 AC AB、BC AC
光線方向改變角度 90° 180° 0°(發生側移)
例3　空氣中兩條光線a和b從方框左側入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖所示。方框內有兩個折射率n＝1.5的全反射玻璃棱鏡。下列選項給出了兩棱鏡的四種放置方式的示意圖。其中能產生圖中效果的是(　　)
答案　B
解析　四個選項的光路圖如圖：
可知選項B正確。
三、光導纖維
1．原理：利用了光的全反射。
2．構造：由內芯和外套兩層組成，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反射。
3．光導纖維的應用
(1)光纖通信
①光導纖維的傳播原理：光由一端進入，在內芯和外套的界面上經過多次全反射，從另一端射出，光導纖維可以遠距離傳播光信號，光信號又可以轉換成電信號，進而轉變為聲音、圖像。
②光纖通信的優點：傳輸容量大、衰減小、抗干擾性及保密性強等。
(2)醫學上的內窺鏡：內窺鏡有兩組光纖，一組把光傳送到人體內部進行照明，另一組把體內的圖像傳出供醫生觀察。
(1)光導纖維的內芯是光密介質，外套是光疏介質。(　√　)
(2)光在光纖中傳播時，在外套與空氣的界面上發生全反射。(　×　)
例4　(2023·江蘇淮安市高二期中)光纖通信中信號傳播的主要載體是光纖，它的結構如圖所示，可看成一段直線，其內芯和外套的材料不同，光在內芯中傳播。下列關于光纖的說法中正確的是(　　)
A．內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全反射
B．內芯的折射率比外套的大，光傳播時在外套與外界的界面上發生全反射
C．波長越長的光在光纖中傳播的速度越大
D．頻率越大的光在光纖中傳播的速度越大
答案　C
解析　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反射，A、B錯誤；波長越長，光在內芯中的折射率越小；頻率越大，光在內芯中的折射率越大，根據v＝可知，波長越長的光在光纖中傳播的速度越大，C正確，D錯誤。
例5　(2022·江蘇南通市高二期中)以光纖通信為基礎，我國千兆寬帶已經進入很多家庭，在進入小區的光纖控制箱中，光纖繞成圖示形狀，已知光纖的折射率n＝，其直徑為d。
(1)求該光纖的臨界角；
(2)若平行軸線射入的一束光通過圓弧部分不發生漏光，求內圓弧半徑的最小值。
答案　(1)45°　(2)(＋1)d
解析　(1)根據臨界角公式sin C＝＝
則該光纖的臨界角為C＝45°
(2)不發生漏光就是所有光束都發生全反射，即需入射角最小值等于臨界角，光路圖如圖所示
設內圓弧半徑為r，根據幾何知識有
sin θ＝＝
解得內圓弧半徑的最小值為r＝(＋1)d。

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