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《選擇性必修第一冊》 第四章 光
4.2 全反射
學習目標
1.知道光密介質和光疏介質的概念，認識光的全反射現象。
2.知道全反射棱鏡及其應用。
3.初步了解光導纖維的工作原理及光纖技術對社會經濟生活的重大影響。
目錄
03
光導纖維
01
02
全反射棱鏡
全反射
環節一：課堂引入
水中的氣泡和葉子上的露珠看起來特別明亮；炎熱夏天，柏油路面有時看起來特別明亮,像水洗過的一樣。這又是為什么呢？
環節二：全反射
（一）光密介質和光疏介質
問題：什么是光密介質，什么是光疏介質？（學生閱讀課本回答）
光疏介質:兩種介質中折射率較小的介質叫做光疏介質。
光密介質:兩種介質中折射率較大的介質叫做光密介質.
注意:
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。如，水、水晶和金剛石三種物質相比較，水晶對水來說是光密介質，對金剛石來說則是光疏介質。
（二）入射角與折射角的大小關系
N
N'
A
O
B
光疏介質
光密介質
i
r
光從光疏介質進入光密介質
光從光密介質進入光疏介質
i
N
N'
A
O
B
光疏介質
光密介質
r
入射角與折射角的那個較大？
（三）全反射
光從光密介質進入光疏介質，入射角增大，折射角也增大，誰先達到90°？若繼續增大入射角？（觀看視頻小組合作討論，代表發言）
現象：隨著入射角的逐漸增大的過程中，折射角逐漸增大 ；折射光線亮度逐漸減弱；反射角逐漸增大；反射光線亮度逐漸增強；當入射角增大到某一角度時，折射光線消失，所有光線全部反射。
（三）全反射
1.全反射定義：
光由光密介質射到光疏介質時，光線不發生折射，而全部返回到原介質中繼續傳播的現象。
玻璃
空氣
C
此時的入射角稱為——臨界角
2.發生全反射的條件：
（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；
（三）全反射
3.折射率與臨界角的關系：（光由介質射入真空中）
界面
真空
介質
C
注意：
(1)只有光從介質射入真空（空氣）的交界面時，才能這樣求臨界角。
(2)n越大，臨界角越小，也就越容易發生全發射。
全反射棱鏡
光導纖維
全反射在生活中有哪些應用？
學生進行小組交流討論
1.(多選)光從介質1通過兩種介質的界面進入介質2的光路如圖所示。下列論述正確的是(　　)
A．光在介質1中的傳播速度較大
B．光在介質2中的傳播速度較大
C．光從介質1射向兩種介質的界面時，
不可能發生全反射現象
D．光從介質2射向兩種介質的界面時，
可能發生全反射現象
ACD
（四）小試牛刀
2．(多選)透明的水面上有一圓形荷葉，葉梗直立在水中，緊靠葉梗有一條小魚，在岸上的人恰能看到小魚，則(　　)
A．當小魚潛深點時，人就看不到它了
B．當小魚潛深點時，人照樣能看到它
C．當小魚上浮點時，人就看不到它了
D．當小魚上浮點時，人照樣看到它
BC
（四）小試牛刀
環節三：全反射棱鏡和光導纖維
（一）全反射棱鏡
問題：什么是全反射棱鏡，有什么作用？（學生閱讀課本，派代表回答）
玻璃棱鏡的截面為等腰直角三角形，當光從圖中所示的方向射入玻璃時，由于光的方向與玻璃面垂直，光線不發生偏折。但在玻璃內部，光射向玻璃與空氣的界面時，入射角大于臨界角，發生全反射。
與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎可達 100%。這種棱鏡在光學儀器中可用來改變光的方向。
（一）全反射棱鏡
橫截面是等腰直角三角形的棱鏡
(1)截面為等腰直角三角形的玻璃棱鏡
(2)原理：利用全反射原理
(3)特點：(玻璃的臨界角為32°—42°)
①當光垂直于它的任意一個界面射入后，都會在其內部發生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高
②反射面不必涂敷任何反光物質
(4)作用：改變光的方向，可使光的傳播方向改變90°或180°
45
45
45
45
45
45
（一）全反射棱鏡
（二）全反射棱鏡的應用
潛望鏡
（二）全反射棱鏡的應用
自行車尾燈
（二）全反射棱鏡的應用
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，以消除多余的像．
當然，如果在玻璃的前表面鍍銀，就不會產生多個像，一般的平面鏡都是在玻璃的后面鍍銀， 但是銀面容易脫落．因此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．與平面鏡相比,它的反射率高,幾乎可達100%。
（三）光導纖維
問題：光導纖維的工作原理與結構？（小組討論，代表發言）
(1)原理：利用全反射原理
(2)構造：由折射率較高的玻璃內芯和折射率較低的外層透明介質組成，因為內芯的折射率比外套的大，所以，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全反射
(3)優點：容量大、衰減小、抗干擾性強
（四）觀察光在彎曲的有機玻璃棒中傳播的路徑
（五）光導纖維的應用
醫用內窺鏡：醫學上將其制成內窺鏡，用來檢查人體內臟的內部。
光纖通信：光纖通信的主要優點是容量大、衰減小、抗干擾性強。
（五）光導纖維的應用
一路光纖的傳輸能力理論值為二十億路電話，一千萬路電視。雖然光纖通信的發展歷史只有20多年的，但是發展的速度是驚人的。
課堂小結
全反射
光疏介質與光密介質
光從光密介質射入光疏介質
全反射的條件
全反射棱鏡及其應用
全反射現象：折射光線消失
入射角大于或等于臨界角
光導纖維及其應用
1. 一個半圓柱形玻璃磚,其橫截面是半徑
為R的半圓,AB為半圓的直徑,O為圓心,如圖所示。
玻璃的折射率為n= 。
(1)一束平行光垂直射向玻璃磚的下表面,若光線
到達上表面后,都能從該表面射出,則入射光束在AB上的最大寬度為多少
課堂檢測
解析:(1)在O點左側,設從E點射入的光線進入玻璃磚后在上表面的入射角恰好等于全反射的臨界角θ,則OE區域的入射光線經上表面折射后都能從玻璃磚射出,如圖甲所示。由全反射條件有sin θ= ①
由幾何關系有lOE=Rsin θ②
由對稱性可知,若光線都能從上表面射出,光束的寬度最大為 l=2lOE③
聯立①②③式,代入已知數據得l= R。④
課堂檢測
課堂檢測
射到G點的光有一部分被反射,沿原路返回到達C點射出。
2. 自行車上的紅色尾燈不僅是裝飾品,也是夜間騎車的安全指示燈,它能把來自后面的光線反射回去。某種自行車尾燈可簡化為由許多整齊排列的等腰直角棱鏡(折射率n> )組成,棱鏡的橫截面如圖所示。一平行于橫截面的光線從O點垂直于AB邊射入棱鏡,先后經過AC和CB邊反射后,從AB邊的O'點射出,則出射光線是(　　)
A.平行于AC邊的光線① B.平行于入射光線的光線②
C.平行于CB邊的光線③ D.沿AB邊的光線④
答案:B
解析:由題意可知,等腰直角棱鏡的折射率n> ,且sin C= ,得臨界角小于45°,由題圖可得,光從空氣進入棱鏡,因入射角為0°,所以光線不偏折。當光從棱鏡射向空氣時,入射角等于45°,發生全反射,根據幾何關系,結合光路可逆可知,出射光線是②,即平行于入射光線,故B正確,A、C、D錯誤。
課堂檢測
3.某有線制導導彈發射時,在導彈發射基地和導彈間連一根細如蛛絲的特制光纖,它雙向傳輸信號,能達到有線制導作用。光纖由纖芯和包層組成,其剖面如圖所示,其中纖芯材料的折射率n1=2,包層折射率n2= ,光纖長度l為6 km。已知當光從折射率為n1的介質射入折射率為n2的介質時,入射角θ1、折射角θ2間滿足:n1sin θ1=n2sin θ2。
(1)試通過計算說明從光纖一端入射的光信號
是否會通過包層“泄漏”出去。
(2)若導彈飛行過程中,將有關參數轉變為光信號,利用光纖發回發射基地經瞬間處理后轉化為指令光信號返回導彈,求信號往返需要的最長時間。
答案:(1)見解析　(2)1.6×10-4 s
課堂檢測
解析:(1)如圖所示,由題意知在纖芯和包層分界面上全反射臨界角C滿足n1sin C=n2sin 90°,得C=60°。當在端面上的入射角最大(i=90°)時,折射角r也最大,在纖芯與包層分界面上的入射角i'最小,當端面上i=90°時,
所以,在所有情況中從端面入射到光纖中的信號都會發生全反射,光信號不會從包層中“泄漏”出去。
課堂檢測

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