資源簡介

第三節　光的全反射與光纖技術
1～4題每題5分，5題10分，6～7題每題5分，共40分
考點一　全反射的理解與計算
1．水中的空氣泡、玻璃中的空氣泡，看上去比較亮，對這一現象表述正確的是(　　)
A．空氣泡對光線有會聚作用
B．空氣泡對光線有發散作用
C．從空氣泡到達水或玻璃分界面處的光一部分發生全反射形成的
D．從水中或玻璃中射到空氣泡界面處的光一部分發生全反射形成的
2．(多選)如圖所示，某興趣小組想測量類似玻璃的新型物體的折射率，該物體為足夠長的薄長方體，物質均勻分布，折射率約為1.3。MN、PQ為空氣和物體的界面，兩界面平行，在空氣中用一束光照射物體的上界面MN，光從下界面PQ出射，回到空氣中。下列說法正確的是(　　)
A．該新型物質相對外部的空氣為光疏介質
B．增大入射角(小于90°)，光在PQ界面不會發生全反射
C．讓光用不同的入射角照射物體上界面MN，光可能在界面MN發生全反射
D．入射光線和出射光線一定平行
3．(2024·廣東華僑中學高二期末)如圖甲所示為某水下攝影大賽的獲獎作品，攝影師在水下對水上的景物進行拍攝，獲得了美輪美奐、令人贊嘆的美學效果。忽略鏡頭尺寸的影響，假設攝影師由水下豎直向上拍攝，光的傳播路徑如圖乙所示，已知水的折射率為，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列說法正確的是(　　)
A．光線射入水中頻率減小
B．水中拍攝到的水上景物比實際位置偏低
C．進入鏡頭的光線與豎直方向的夾角θ最大為37°
D．通過鏡頭將只能拍攝到岸上一部分的景物
4.(2023·深圳市高二期中)為了鑒別鉆石的真假，根據鉆石的折射率與玻璃的對比就能區分真假。讓一束光線穿過介質1(玻璃)、2(空氣)、3(鉆石)時，光路如圖，則(　　)
A．介質玻璃的折射率比鉆石的大
B．空氣是光密介質
C．光在鉆石中的速度最小
D．當入射角由45°逐漸增大時，在由1入射2時在分界面不可能發生全反射
5．(10分)(2023·深圳市寶安中學高二期中)如圖所示，將一半徑為R、折射率為n＝，用透明材料做成的小球置于一水平桌面上，圖中的O點為其球心，AB為穿過球心且與水平桌面平行的一條虛線。有一束單色光平行AB射到透明小球表面上的Q點。結果光線經過球面折射后到達B點，光在真空中的速度為c，且圖為該球的一個截面。
(1)(5分)求單色光從Q點進入透明材料的入射角以及光線從入射點Q傳到B點的時間；
(2)(5分)通過分析判斷光線到達B點后會不會發生全反射。
考點二　光導纖維的工作原理及應用
6.如圖所示，將塑料瓶下側開一個小孔，瓶中灌入清水，水就從小孔流出。將激光水平射向塑料瓶小孔，觀察到激光束沿水流方向發生了彎曲，光被完全限制在水流內。則下列說法正確的是(　　)
A．激光束發生彎曲是因為光在水柱與空氣界面上發生折射
B．激光束發生彎曲是因為光在水柱與空氣界面上發生全反射
C．僅改用折射率更大的液體，激光束不能完全被限制在液體流內
D．激光在水中的傳播速度大于其在空氣中的傳播速度
7.(2023·汕頭市金山中學高二期中)我國目前已經建立了縱橫城市之間的光纜通信網絡，光纜線路已經與通信衛星、微波接力站、普通電纜相結合，構成了現代國家的“神經系統”光纖信號傳輸是利用光的全反射和折射原理，如圖所示是某種單色光在光纖中經過多次全反射后從右端射出的傳播路徑。若該介質的折射率為，則關于α、β的大小，下列判斷正確的是(　　)
A．α<60° B．α<30°
C．β>30° D．β<30°
8～9題每題7分，10～11題每題16分，共46分
8.(2024·河源市龍川一中高二期中)透過熱空氣觀察物體會發現物體搖晃不定，那是因為溫度越高空氣折射率越小，熱空氣的對流現象引起光路的變化。如圖為光線經過溫度不同的空氣層的光路圖。根據圖中信息下列關于空氣層1、2和3說法正確的是(　　)
A．空氣層1的溫度最高
B．空氣層2的折射率最大
C．光線在2中運動的速度最大
D．光線從2到3最容易發生全反射
9.(多選)如圖所示，圓心為O、半徑為R的半圓形玻璃磚置于水平桌面上，光線從P點垂直界面入射后，恰好在玻璃磚圓形表面發生全反射；當入射角θ＝60°時，光線從玻璃磚圓形表面出射后恰好與入射光平行。已知真空中的光速為c，則(　　)
A．玻璃磚的折射率為1.5
B．O、P之間的距離為R
C．光在玻璃磚內的傳播速度為c
D．光從玻璃到空氣的臨界角為30°
10．(16分)(2024·佛山市高二期末)如圖所示，某種均勻透明介質制作成的圓柱體長度為，直徑為d，現有一束激光從圓柱體上端圓面中心O點射入介質中，與圓柱中軸線夾角為θ。
(1)(8分)當θ＝60°時，折射光線剛好能從圓柱體底面邊緣射出(不考慮光在圓柱體側面上的反射)，則該介質的折射率為多大
(2)(8分)以不同角度從O點射入的光線，都不能從圓柱體的側面射出，則該介質的折射率至少為多大。
11．(16分)如圖所示，一根長為L的直圓柱狀光導纖維，當一束激光射向它的左端面中點，且光線與端面夾角為30°時，恰好不能從側壁射出，光在真空中的傳播速度為c。
(1)(8分)求該光導纖維的折射率；
(2)(8分)調整激光束的入射方向，求光在光導纖維中經歷的最短時間t。
　(14分)
12．如圖甲所示是由透明材料制成的半圓柱，一細光束由真空沿著徑向與AB成θ角射入，對射出的折射光線的強度隨著θ角的變化進行記錄，得到的關系如圖乙所示。圖丙是這種材料制成的透明體，左側是半徑為R的半圓柱，右側是長為8R、高為2R的長方體，一束單色光從左側A′點沿半徑方向與長邊成37°角射入透明體。已知光在真空中的傳播速度為c，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列說法正確的是(　　)
A．該透明材料的臨界角為37°
B．該透明材料的折射率為1.5
C．光在透明體中傳播的路程為10R
D．光在透明體中傳播的時間為
第三節　光的全反射與光纖技術
1．D　[當光從水中或玻璃中射到空氣泡的界面處時，一部分光的入射角大于或等于臨界角，發生了全反射現象，所以水中的空氣泡和玻璃中的空氣泡看起來比較亮，故選D。]
2．BD　[因為從空氣射入物質時，折射角小于入射角，所以該新型物質相對外部的空氣為光密介質，選項A錯誤；增大入射角(小于90°)，因為光在MN面上的折射角等于在PQ面上的入射角，則光在PQ面上的入射角不會達到臨界角，即光在PQ界面不會發生全反射，選項B正確；讓光用不同的入射角照射物體上界面MN，因為是從光疏介質進入光密介質，則光不可能在界面MN發生全反射，選項C錯誤；因為光在MN面上的折射角等于在PQ面上的入射角，且MN與PQ平行，則入射光線和出射光線一定平行，選項D正確。]
3．D　[光線由水上射入水中時，光的頻率不變，故A錯誤；如圖所示：光源S成像在S′處，S′的位置比S的位置偏高，故B錯誤；當光線在水面的入射角為90°時，水中光線與豎直方向夾角達到最大值，即臨界角ic，且sin ic＝＝>0.6，則ic>37°，故C錯誤；通過鏡頭將只能拍攝到岸上一部分的景物，故D正確。
]
4．C　[因為sin 45°n2 ，同理n3>n2，根據光的可逆性，光從2射向1或者從2射向3時，入射角相等，則n3>n1，所以n3>n1>n2，介質3(鉆石)的折射率最大，介質2(空氣)的折射率最小，故A錯誤；因為n3>n1>n2，介質2(空氣)相對介質1(玻璃)和介質3(鉆石)是光疏介質，故B錯誤；由n3>n1>n2和v＝知，光在介質3(鉆石)中的速度最小，故C正確；光從介質1進入介質2時，是從光密介質進入光疏介質，當入射角逐漸增大時，在此界面上可能發生全反射，故D錯誤。]
5．(1)60°　　(2)不會
解析　(1)作出光路圖如圖所示，由光路圖，根據幾何知識可知θ1＝2θ2
由折射定律，得n＝＝
解得θ1＝60°，θ2＝30°
光在小球中的速度為v＝＝
光線從Q點傳到B點的時間為
t＝＝＝。
(2)根據臨界角與折射率的關系
n＝
即sin ic＝>sin 30°＝
所以光線到達B點后不會發生全反射。
6．B　[激光束發生彎曲是因為光在水柱與空氣界面上發生全反射，A錯誤，B正確；僅改用折射率更大的液體，根據sin ic＝，則臨界角變小，激光束仍可在液體流中發生全反射，同樣能完全被限制在液體流內，C錯誤；根據v＝可知，激光在水中的傳播速度小于其在空氣中的傳播速度，D錯誤。]
7．C　[根據全反射的條件可知，α≥ic，又sin ic＝，則ic＝60°，即α≥60°，故A、B錯誤；光線從端點能射出，則由折射定律可知n＝，由題圖可知，出射角i<90°，解得β>30°，故C正確，D錯誤。]
8．C　[溫度越高空氣折射率越小，做出各個空氣層界面的法線如圖可知θ3<θ1<θ2，sin θ3]
9．BC　[光路圖如圖所示。設O、P之間的距離為x，當θ＝60°時，折射角為r，設光從玻璃磚圓形表面射出時與玻璃磚的界面交點為Q，結合出射光線與入射光線平行知，過P點的法線與過Q點的法線平行，則玻璃磚的折射率
n＝＝，
又沿P點垂直入射的光恰好發生全反射，
則sin ic＝＝，
解得x＝R，n＝
sin ic＝>，則臨界角ic>30°，
光在玻璃磚中的傳播速度v＝＝c，故B、C正確，A、D錯誤。]
10．(1)　(2)
解析　(1)當θ＝60°時，折射光線剛好能從圓柱體底面邊緣射出，
可知折射角
sin α＝＝
則折射率n＝＝＝
(2)若θ＝90°，則折射角為ic，此時射到圓柱體的側面的光線也能發生全反射，
則由幾何關系可知ic＝45°，
則折射率n′＝＝
即該介質的折射率至少為。
11．(1)　(2)
解析　(1)作出光路如圖所示根據折射定律公式有n＝
根據題意有n＝
由于光恰好不能從側壁射出，可知光剛好在側壁發生全反射，即γ角等于臨界角ic，則有β＋ic＝90°
根據臨界角與折射率的關系有
n＝
解得n＝
(2)由光路圖可知，光線在光導纖維中傳播的最短總距離為x＝L
光線在光導纖維中傳播的速度v＝
所以光在光導纖維中傳播的最短時間為t＝
解得t＝。
12．D　[由題圖乙可知，當θ＝37°，折射光線才開始出現，說明此時恰好發生全反射，即該透明材料的臨界角為ic＝90°－37°＝53°，A錯誤；根據全反射臨界角公式sin ic＝，可得該透明材料的折射率n＝1.25，B錯誤；因為臨界角是53°，該透明體右側長方體長度為8R，由幾何知識可知光線在長方體中剛好發生三次全反射，光路圖如圖所示，設在長方體中路程為x，其在長方體方向的投影為8R，且滿足xcos 37°＝8R，解得x＝10R，故光在透明體中傳播的總路程為x＋R＝11R，C錯誤；光在透明體中的傳播速度v＝，光在透明體中傳播的時間t＝＝，D正確。
]第三節　光的全反射與光纖技術
[學習目標]　1.通過實例分析，知道什么是光疏介質和光密介質，理解它們具有相對性。2.通過演示實驗觀察全反射現象，理解臨界角的概念和發生全反射的條件，會分析生活中常見的全反射現象(重點)。3.知道光導纖維的工作原理及生產生活中的實際應用(難點)。
一、光的全反射現象
如圖所示，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個邊與空氣的界面上會發生反射和折射。逐漸增大入射角，使折射角增大到90°的過程中，反射光線和折射光線會有怎樣的變化？
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1．光的全反射
當光從折射率較大的介質(__________介質)射入折射率較小的介質(__________介質)時，折射角__________入射角且隨入射角增大而__________。當入射角達到一定角度，折射角變成__________。繼續增大入射角，折射角將大于90°。此時，入射光線全部被__________回折射率較大的介質中，這種現象稱為光的全反射。
說明：(1)光疏介質與光密介質是相對的。同一種介質相對于其他不同介質，可能是光疏介質，也可能是光密介質。
(2)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， 即折射光的能量減少，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。
2．臨界角
折射角等于______時的入射角稱為臨界角，記為ic。
3．發生光的全反射的兩個必要條件
(1)光線從__________介質射入__________介質。
(2)入射角__________臨界角。
4．臨界角與折射率的關系
表達式為sin ic＝ ，介質的折射率越大，全反射的臨界角__________。
5．生活中的全反射現象：晶瑩奪目的露珠、水中光彩亮麗的氣泡、充滿傳奇色彩的“海市蜃樓”等。
如下表，分別列出了四種物質的折射率、密度值，據此思考以下問題：
介質 水 酒精 玻璃 金剛石
折射率n 1.33 1.36 1.5～1.9 2.42
密度/ (×103 kg/m3) 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52
(1)“兩種介質相比較，密度大的介質一定是光密介質”，這種說法對嗎？試舉例說明。
(2)光從哪種介質射入空氣更容易發生全反射？
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(1)兩種介質相比，光疏介質的折射率一定較小。(　　　)
(2)同一束光，在光疏介質中的傳播速度比在光密介質中的傳播速度更大。(　　　)
(3)發生全反射時仍有折射光線，只是折射光線非常弱。(　　　)
(4)光從空氣射向水中時，只要入射角足夠大，就可能發生全反射。(　　　)
例1　如圖所示為半圓柱形玻璃磚，當一束單色光以入射角θ1＝45°從空氣中射入玻璃磚時，折射角θ2＝30°，求：
(1)該玻璃磚的折射率n；
(2)當光從玻璃磚射入空氣時，發生全反射的臨界角是多少。
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例2　(2022·廣東卷)一個水平放置的圓柱形罐體內裝了一半的透明液體，液體上方是空氣，其截面如圖所示。一激光器從罐體底部P點沿著罐體的內壁向上移動，它所發出的光束始終指向圓心O點。當光束與豎直方向成45°角時，恰好觀察不到從液體表面射向空氣的折射光束。已知光在空氣中的傳播速度為c，求液體的折射率n和激光在液體中的傳播速度v。
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例3　(2023·揭陽市高二期末)一興趣小組的同學將一枚大頭針垂直插入半徑為r的圓形薄軟木片中心，并將其放入盛有水的碗中，如圖所示，已知水的折射率為。當在水面上任何角度都看不到大頭針時，大頭針末端離水面的最大距離h為(　　)
A.r B.r C.r D.r
二、光導纖維的工作原理及應用
如圖甲所示，用激光筆發出的光以合適角度射入一根有機玻璃棒的一端，觀察光傳播的路徑有什么特點？如圖乙所示，如果玻璃棒是彎曲的，光能否沿著彎曲的玻璃棒繼續傳播？(結合教材實驗進行分析)
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1．原理：利用了光的__________。
2．構造：光纖由纖芯和包層組成。纖芯的折射率__________包層的折射率，以合適角度進入光纖的光能夠在纖芯與包層的界面上發生__________。
3．應用：除應用于光纖通信外，還可應用于醫學上的內窺鏡等。
4．光纖通信的優點是__________、________、__________。
說明：光由光導纖維的一端進入，在兩層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。
例4　(多選)(2023·廣州市高二期末)我國的光纖通信技術處于世界領先水平。光纖主要由纖芯(內層玻璃)和包層(外層玻璃)組成。若某種光纖的纖芯在空氣中全反射的臨界角為43°(sin 43°＝0.68，cos 43°＝0.73)，則下列說法正確的是(　　)
A．光纖包層的折射率比纖芯小
B．光纖包層的折射率比纖芯大
C．該種光纖纖芯的折射率約為1.5
D．該種光纖纖芯的折射率約為1.4
例5　如圖所示，一根長為l＝5.0 m的光導纖維用折射率n＝的材料制成。一束激光由其左端的中心點以45°的入射角射入光導纖維內，經過一系列全反射后從右端射出，光在真空中的傳播速度c＝3.0×108 m/s。求：(計算結果保留兩位有效數字)
(1)該激光在光導纖維中的傳播速度；
(2)該激光在光導纖維中傳播的時間。
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答案精析
一、
易錯辨析
(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　
例1　(1)　(2)45°
解析　(1)玻璃磚的折射率
n＝＝
(2)根據n＝，解得ic＝45°。
例2　　c
解析　當入射角達到45°時，恰好到達臨界角ic，根據sin ic＝，可得液體的折射率n＝＝＝，由于n＝，可知激光在液體中的傳播速度v＝＝c。
例3　A　[由題意知，要使在水面上任何角度都看不到大頭針，應該使大頭針發出的光在水面上任何位置都能發生全反射，即大頭針發出光線到薄軟木片邊緣的入射角恰好為臨界角，則由幾何關系得sin ic＝，又因為sin ic＝＝，解得h＝r，故選A。]
二、
例4　AC　[光在纖芯中傳播時，在纖芯和包層的界面上發生全反射，所以纖芯是光密介質，包層是光疏介質，即光纖包層的折射率比纖芯小，故A正確，B錯誤；該種光纖纖芯的折射率約為n＝≈1.5，故C正確，D錯誤。]
例5　(1)2.1×108 m/s
(2)2.7×10－8 s
解析　(1)由n＝
可得v≈2.1×108 m/s
(2)激光在光導纖維中光路圖如圖所示，由折射定律并結合幾何知識得θ＝60°，大于臨界角45°，因此發生全反射。同理光線每次在側面都將發生全反射，直到光線到達右端面。
OA＝＝x
故光線在光導纖維中傳播的距離為
s＝l
因此該激光在光導纖維中傳播所經歷的時間t＝，
代入數據解得t≈2.7×10－8 s。(共59張PPT)
DISIZHANG
第四章
第三節　光的全反射與光纖技術
1.通過實例分析，知道什么是光疏介質和光密介質，理解它們具有相對性。
2.通過演示實驗觀察全反射現象，理解臨界角的概念和發生全反射的條件，會分析生活中常見的全反射現象(重點)。
3.知道光導纖維的工作原理及生產生活中的實際應用(難點)。
學習目標
一、光的全反射現象
二、光導纖維的工作原理及應用
課時對點練
內容索引
光的全反射現象
一
如圖所示，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個邊與空氣的界面上會發生反射和折射。逐漸增大入射角，使折射角增大到90°的過程中，反射光線和折射光線會有怎樣的變化？
答案　隨著入射角的逐漸增大，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，折射角達到90°，折射光線消失，所有光線全部反射。
1.光的全反射
當光從折射率較大的介質( 介質)射入折射率較小的介質( 介質)時，折射角 入射角且隨入射角增大而 。當入射角達到一定角度，折射角變成 。繼續增大入射角，折射角將大于90°。此時，入射光線全部被 回折射率較大的介質中，這種現象稱為光的全反射。
梳理與總結
光密
光疏
大于
增大
90°
反射
說明：(1)光疏介質與光密介質是相對的。同一種介質相對于其他不同介質，可能是光疏介質，也可能是光密介質。
(2)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， 即折射光的能量減少，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。
2.臨界角
折射角等于 時的入射角稱為臨界角，記為ic。
3.發生光的全反射的兩個必要條件
(1)光線從 介質射入 介質。
(2)入射角 臨界角。
4.臨界角與折射率的關系
表達式為sin ic＝ ，介質的折射率越大，全反射的臨界角 。
5.生活中的全反射現象：晶瑩奪目的露珠、水中光彩亮麗的氣泡、充滿傳奇色彩的“海市蜃樓”等。
90°
光密
光疏
等于或大于
越小
討論與交流
如下表，分別列出了四種物質的折射率、密度值，據此思考以下問題：
(1)“兩種介質相比較，密度大的介質一定是光密介質”，這種說法對嗎？試舉例說明。
答案　不對，光密介質和光疏介質具有相對性，折射率是反映介質光學性質的物理量，與介質的密度沒有必然聯系。如酒精的密度比水的密度小，但其折射率比水的折射率大，酒精相對于水是光密介質。
介質 水 酒精 玻璃 金剛石
折射率n 1.33 1.36 1.5～1.9 2.42
密度/ (×103 kg/m3) 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52
(2)光從哪種介質射入空氣更容易發生全反射？
答案　介質折射率越大，發生全反射的臨界角越小，越容易發生全反射，故光從金剛石射入空氣更容易發生全反射。
(1)兩種介質相比，光疏介質的折射率一定較小。(　　)
(2)同一束光，在光疏介質中的傳播速度比在光密介質中的傳播速度更大。(　　)
(3)發生全反射時仍有折射光線，只是折射光線非常弱。(　　)
(4)光從空氣射向水中時，只要入射角足夠大，就可能發生全反射。
(　　)
√
√
×
×
　如圖所示為半圓柱形玻璃磚，當一束單色光以入射角θ1＝45°從空氣中射入玻璃磚時，折射角θ2＝30°，求：
(1)該玻璃磚的折射率n；
例1
(2)當光從玻璃磚射入空氣時，發生全反射的臨界角是多少。
答案　45°
　(2022·廣東卷)一個水平放置的圓柱形罐體內裝了一半的透明液體，液體上方是空氣，其截面如圖所示。一激光器從罐體底部P點沿著罐體的內壁向上移動，它所發出的光束始終指向圓心O點。當光束與豎直方向成45°角時，恰好觀察不到從液體表面射向空氣的折
射光束。已知光在空氣中的傳播速度為c，求液體
的折射率n和激光在液體中的傳播速度v。
例2
當入射角達到45°時，恰好到達臨界角ic，
　(2023·揭陽市高二期末)一興趣小組的同學將一枚大頭針垂直插入半徑為r的圓形薄軟木片中心，并將其放入盛有水的碗中，如圖所示，已知水的折射率為 。當在水面上任何角度都看不到大頭針時，大頭針末端離水面的最大距離h為
例3
√
由題意知，要使在水面上任何角度都看不到大頭針，應該使大頭針發出的光在水面上任何位置都能發生全反射，即大頭針發出光線到薄軟木片邊緣的入射角恰好為臨界角，
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光導纖維的工作原理及應用
二
如圖甲所示，用激光筆發出的光以合適角度射入一根有機玻璃棒的一端，觀察光傳播的路徑有什么特點？如圖乙所示，如果玻璃棒是彎曲的，光能否沿著彎曲的玻璃棒繼續傳播？(結合教材實驗進行分析)
答案　光在有機玻璃棒內經過多次全反射，以折線的形式沿著玻璃棒進行傳播。如果玻璃棒是彎曲的，光仍能經過多次全反射沿著彎曲的玻璃棒繼續傳播。
1.原理：利用了光的 。
2.構造：光纖由纖芯和包層組成。纖芯的折射率 包層的折射率，以合適角度進入光纖的光能夠在纖芯與包層的界面上發生 。
3.應用：除應用于光纖通信外，還可應用于醫學上的內窺鏡等。
4.光纖通信的優點是 、 、 。
說明：光由光導纖維的一端進入，在兩層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。
梳理與總結
全反射
大于
全反射
容量大
衰減小
抗干擾性強
　(多選)(2023·廣州市高二期末)我國的光纖通信技術處于世界領先水平。光纖主要由纖芯(內層玻璃)和包層(外層玻璃)組成。若某種光纖的纖芯在空氣中全反射的臨界角為43°(sin 43°＝0.68，cos 43°＝0.73)，則下列說法正確的是
A.光纖包層的折射率比纖芯小
B.光纖包層的折射率比纖芯大
C.該種光纖纖芯的折射率約為1.5
D.該種光纖纖芯的折射率約為1.4
例4
√
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光在纖芯中傳播時，在纖芯和包層的界面上發生全反射，所以纖芯是光密介質，包層是光疏介質，即光纖包層的折射率比纖芯小，故A正確，B錯誤；
　如圖所示，一根長為l＝5.0 m的光導纖維用折射率n＝ 的材料制成。一束激光由其左端的中心點以45°的入射角射入光導纖維內，經過一系列全反射后從右端射出，光在真空中的傳播速度c＝3.0×108 m/s。求：(計算結果保留兩位有效數字)
例5
(1)該激光在光導纖維中的傳播速度；
答案　2.1×108 m/s　
可得v≈2.1×108 m/s
(2)該激光在光導纖維中傳播的時間。
答案　2.7×10－8 s
激光在光導纖維中光路圖如圖所示，由折射定律并結合幾何知識得θ＝60°，大于臨界角45°，因此發生全反射。同理光線每次在側面都將發生全反射，直到光線到達右端面。
因此該激光在光導纖維中傳播所經歷的時間
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課時對點練
三
考點一　全反射的理解與計算
1.水中的空氣泡、玻璃中的空氣泡，看上去比較亮，對這一現象表述正確的是
A.空氣泡對光線有會聚作用
B.空氣泡對光線有發散作用
C.從空氣泡到達水或玻璃分界面處的光一部分發生全反射形成的
D.從水中或玻璃中射到空氣泡界面處的光一部分發生全反射形成的
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基礎對點練
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當光從水中或玻璃中射到空氣泡的界面處時，一部分光的入射角大于或等于臨界角，發生了全反射現象，所以水中的空氣泡和玻璃中的空氣泡看起來比較亮，故選D。
2.(多選)如圖所示，某興趣小組想測量類似玻璃的新型物體的折射率，該物體為足夠長的薄長方體，物質均勻分布，折射率約為1.3。MN、PQ為空氣和物體的界面，兩界面平行，在空氣中用一束光照射物體的上界面MN，光從下界面PQ出射，回到空氣中。下列說法正確的是
A.該新型物質相對外部的空氣為光疏介質
B.增大入射角(小于90°)，光在PQ界面不會發生全反射
C.讓光用不同的入射角照射物體上界面MN，光可能在
界面MN發生全反射
D.入射光線和出射光線一定平行
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因為從空氣射入物質時，折射角小于入射角，所以該新型物質相對外部的空氣為光密介質，選項A錯誤；
增大入射角(小于90°)，因為光在MN面上的折射角等于在PQ面上的入射角，則光在PQ面上的入射角不會達到臨界角，即光在PQ界面不會發生全反射，選項B正確；
讓光用不同的入射角照射物體上界面MN，因為是從光疏介質進入光密介質，則光不可能在界面MN發生全反射，選項C錯誤；
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因為光在MN面上的折射角等于在PQ面上的入射角，且MN與PQ平行，則入射光線和出射光線一定平行，選項D正確。
3.(2024·廣東華僑中學高二期末)如圖甲所示為某水下攝影大賽的獲獎作品，攝影師在水下對水上的景物進行拍攝，獲得了美輪美奐、令人贊嘆的美學效果。忽略鏡頭尺寸的影響，假設攝影師由水下豎直向上拍攝，光的傳播路徑如圖乙所示，已知水的折射率為 ，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列說法正確的是
A.光線射入水中頻率減小
B.水中拍攝到的水上景物比實際位置
偏低
C.進入鏡頭的光線與豎直方向的夾角θ最大為37°
D.通過鏡頭將只能拍攝到岸上一部分的景物
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光線由水上射入水中時，光的頻率不變，故A錯誤；
如圖所示：光源S成像在S′處，S′的位置比S的位置偏高，故B錯誤；
通過鏡頭將只能拍攝到岸上一部分的景物，故D正確。
4.(2023·深圳市高二期中)為了鑒別鉆石的真假，根據鉆石的折射率與玻璃的對比就能區分真假。讓一束光線穿過介質1(玻璃)、2(空氣)、3(鉆石)時，光路如圖，則
A.介質玻璃的折射率比鉆石的大
B.空氣是光密介質
C.光在鉆石中的速度最小
D.當入射角由45°逐漸增大時，在由1入射2時在分界面不可能發生全反射
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因為n3>n1>n2，介質2(空氣)相對介質1(玻璃)和介質3(鉆石)是光疏介質，故B錯誤；
由n3>n1>n2和v＝知，光在介質3(鉆石)中的速度最小，故C正確；
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因為sin 45°n2 ，同理n3>n2，根據光的可逆性，光從2射向1或者從2射向3時，入射角相等，則n3>n1，所以n3>n1>n2，介質3(鉆石)的折射率最大，介質2(空氣)的折射率最小，故A錯誤；
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光從介質1進入介質2時，是從光密介質進入光疏介質，當入射角逐漸增大時，在此界面上可能發生全反射，故D錯誤。
5.(2023·深圳市寶安中學高二期中)如圖所示，將一半徑為R、折射率為n＝ ，用透明材料做成的小球置于一水平桌面上，圖中的O點為其球心，AB為穿過球心且與水平桌面平行的一條虛線。有一束單色光平行AB射到透明小球表面上的Q點。結果光線經過球面折射后到達B點，光在真空中的速度為c，且圖為該球的一個截面。
(1)(5分)求單色光從Q點進入透明材料的入射角以及
光線從入射點Q傳到B點的時間；
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作出光路圖如圖所示，由光路圖，根據幾何知識可知θ1＝2θ2
解得θ1＝60°，θ2＝30°
考點二　光導纖維的工作原理及應用
6.如圖所示，將塑料瓶下側開一個小孔，瓶中灌入清水，水就從小孔流出。將激光水平射向塑料瓶小孔，觀察到激光束沿水流方向發生了彎曲，光被完全限制在水流內。則下列說法正確的是
A.激光束發生彎曲是因為光在水柱與空氣界面上
發生折射
B.激光束發生彎曲是因為光在水柱與空氣界面上發生全反射
C.僅改用折射率更大的液體，激光束不能完全被限制在液體流內
D.激光在水中的傳播速度大于其在空氣中的傳播速度
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激光束發生彎曲是因為光在水柱與空氣界面上發生全反射，A錯誤，B正確；
7.(2023·汕頭市金山中學高二期中)我國目前已經建立了縱橫城市之間的光纜通信網絡，光纜線路已經與通信衛星、微波接力站、普通電纜相結合，構成了現代國家的“神經系統”光纖信號傳輸是利用光的全反射和折射原理，如圖所示是某種單色光在光纖中經過多次全反射后從右端射出的傳播路徑。若該介質的折射率為 ，則關于α、β的大小，下列判斷正確的是
A.α<60° B.α<30°
C.β>30° D.β<30°
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8.(2024·河源市龍川一中高二期中)透過熱空氣觀察物體會發現物體搖晃不定，那是因為溫度越高空氣折射率越小，熱空氣的對流現象引起光路的變化。如圖為光線經過溫度不同的空氣層的光路圖。根據圖中信息下列關于空氣層1、2和3說法正確的是
A.空氣層1的溫度最高
B.空氣層2的折射率最大
C.光線在2中運動的速度最大
D.光線從2到3最容易發生全反射
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溫度越高空氣折射率越小，做出各個空氣層界面的法線如圖可知θ3<θ1<θ2，sin θ3光從光密介質射向光疏介質時才可能發生全反射，因為n29.(多選)如圖所示，圓心為O、半徑為R的半圓形玻璃磚置于水平桌面上，光線從P點垂直界面入射后，恰好在玻璃磚圓形表面發生全反射；當入射角θ＝60°時，光線從玻璃磚圓形表面出射后恰好與入射光平行。已知真空中的光速為c，則
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光路圖如圖所示。設O、P之間的距離為x，當θ＝60°時，折射角為r，設光從玻璃磚圓形表面射出時與玻璃磚的界面交點為Q，結合出射光線與入射光線平行知，過P點的法線與過Q點的法線平行，則玻璃磚的折射率
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又沿P點垂直入射的光恰好發生全反射，
10.(2024·佛山市高二期末)如圖所示，某種均勻透明介質制作成的圓柱體長度為 ，直徑為d，現有一束激光從圓柱體上端圓面中心O點射入介質中，與圓柱中軸線夾角為θ。
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(1)當θ＝60°時，折射光線剛好能從圓柱體底面邊緣射出(不考慮光在圓柱體側面上的反射)，則該介質的折射率為多大
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當θ＝60°時，折射光線剛好能從圓柱體底面邊緣射出，
(2)以不同角度從O點射入的光線，都不能從圓柱體的側面射出，則該介質的折射率至少為多大。
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若θ＝90°，則折射角為ic，此時射到圓柱體的側面的光線也能發生全反射，則由幾何關系可知ic＝45°，
11.如圖所示，一根長為L的直圓柱狀光導纖維，當一束激光射向它的左端面中點，且光線與端面夾角為30°時，恰好不能從側壁射出，光在真空中的傳播速度為c。
(1)求該光導纖維的折射率；
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由于光恰好不能從側壁射出，可知光剛好在側壁發生全反射，即γ角等于臨界角ic，則有β＋ic＝90°
(2)調整激光束的入射方向，求光在光導纖維中經歷的最短時間t。
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由光路圖可知，光線在光導纖維中傳播的最短總距離為x＝L
12.如圖甲所示是由透明材料制成的半圓柱，一細光束由真空沿著徑向與AB成θ角射入，對射出的折射光線的強度隨著θ角的變化進行記錄，得到的關系如圖乙所示。圖丙是這種材料制成的透明體，左側是半徑為R的半圓柱，右側是長為8R、高為2R的長方體，一束單色光從左側A′點沿半徑方向與長邊成37°角射入透明體。已知光在真空中的傳播速度為c，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列說法正確的是
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尖子生選練
A.該透明材料的臨界角為37°
B.該透明材料的折射率為1.5
C.光在透明體中傳播的路程為10R
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由題圖乙可知，當θ＝37°，折射光線才開始出現，說明此時恰好發生全反射，即該透明材料的臨界角為ic＝90°－37°＝53°，A錯誤；
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因為臨界角是53°，該透明體右側長方體長度為8R，由幾何知識可知光線在長方體中剛好發生三次全反射，光路圖如圖所示，設在長方體中路程為x，其在長方體方向的投影為8R，且滿足xcos 37°＝8R，解得x＝10R，故光在透明體中傳播的總路程為x＋R＝11R，C錯誤；
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