3.光的全反射

課標要求

1.知道光硫介質、光密介質、全反射、臨界角的概念.

2.知道全反射現(xiàn)象，理解全反射的條件，能計算有關問題和解釋相關現(xiàn)象.

3.了解全反射棱鏡及光導纖維的工作原理和在生產(chǎn)、生活中的應用.

思維導圖

此嫉介質和光密介陵物理觀念

?:逮射現(xiàn)象卜全反射現(xiàn)象科學探究

光S!I一界角與折射率的關累I……；科

的

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阪:__I光導纖維I

科學態(tài)度與責任

必備知識?自主學習——突出基礎性素養(yǎng)夯基

一、全反射現(xiàn)象

?.光疏介質和光密介質

(1)概念：兩種介質比較，折射率較小的介質叫作介質，折射率較大的介質叫作

____介質.

(2)光在光密介質中的傳播速度比在光疏介質中的傳播速度小.

(3)相對性：光疏介質和光密介質是的.

［導學1］

光疏介質和光密介質具有相對性，例如酒精對水是光密介質，但對水晶則是光疏介質.

2.全反射

光從光密介質射到光疏介質的界面時，全部被反射叵原介質中傳播的現(xiàn)象叫作

［舉例］

水下的潛水員認為水面上的所有景物都出現(xiàn)在倒立的圓錐里，就是光的全反射的一個例

證.

二、發(fā)生全反射的條件

I.臨界角

我們把光從某種介質射向真空或空氣、折射角為90。時的,稱為這種介質的臨

界角.

2.全反射的條件

要發(fā)生全反射，必須同時具備兩個條件：

(1)光從光密介質射向介質.

(2)入射角大于等于臨界角.

3.臨界角與折射率的關系

定量關系：光由介質射入空氣(或真空)時，

(1)sinC=-n.

(2)定性關系：介質折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小，越________發(fā)生全反射.

三、全反射的應用——光導纖維

I.光導纖維對光的傳導原理

利用了原理.

2.光導纖維的構造

光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑從幾微米到幾十微米之間，由內芯和外層透明介

質兩層組成.內芯的折射率比外套的折射率大，光傳播忖在內芯與外套的界而上發(fā)生________

3.光導纖維的應用——光纖通信

光纖通信，就是把載有、和各種數(shù)字信號的激光從光纖的一端輸入，

沿著光纖傳到另一端去.

4.光纖通信的主要優(yōu)點

容量大、衰減小、強、傳輸質量高.

[導學2]

發(fā)生全反射時，反射率很高，幾乎達到100%,比平面鏡的反射率高出了很多.

關鍵能力合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成

探究點一全反射的理解

導學探究

當光從水中射向與玻璃的交界面時，只要入射角足夠大就會發(fā)生全反射，這種說法正確

嗎？為什么？

歸納總結

1.全反射遵循的規(guī)律：發(fā)生全反射時，光全部返回原介質，入射光與反射光遵循光的反

射定律，由于不存在折射光線，光的折射定律不再適用.

2.從能量角度來理解全反射：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，即折射光線能量減小，反射光線強度增強，能量增加；

當入射角達到臨界角時，折射光線強度減弱到零，反射光的能量等于入射光的能量.

3.解答全反射類問題的技巧：

(1)光必須從光密介質射入光疏介質才能發(fā)生全反射.

(2)入射角大于或等于臨界角才能發(fā)生全反射.

(3)利用好光路圖中的臨界光線，準確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關鍵,

且在作光路圖時比例應與實際相符，這樣更有利于問題的分析.

典例示范

例1為了測定某種材料制成的長方體的折射率，用一束光線從A8面以60。入射角射入

長方體時光線剛好不能從面射出，如圖所示，該材料的折射率是多少？

素養(yǎng)訓練1(多選)如圖所示，半圓形玻璃磚放在空氣中，三條同一顏色、強度相同的光

線均由空氣射入玻璃磚，到達玻璃磚的圓心位置.下列說法正確的是()

A.若三條光線中有一條在。點發(fā)生了全反射，那一定是。。光線

B.若光線8O能發(fā)生全反射，那么光線。。一定能發(fā)生全反射

C.若光線〃。能發(fā)生全反射，那么光線〃。一定能發(fā)生.全反射

D.若光線“O恰能發(fā)生全反射，則光線〃。的反射光線比光線cO的反射光線的亮度大

素養(yǎng)訓練2如圖所示，三棱鏡的橫截面為直角三角形A8C,NA=30。，/8=60。.一束

平行于AC邊的光線自AB邊的P點射入三棱鏡，在AC邊發(fā)生反射后從BC邊的M點射出.若

光線在P點的入射角和在M點的折射角相等.

(1)求三棱鏡的折射率;

（2）在三極鏡的AC邊是否有光線透出？寫出分析過程.（不考慮多次反射）

探究點二全反射的應用

歸納總結

1.光導纖維的傳播原理

光由一端進入，在兩層的界而上經(jīng)過多次全反射，從另一端射出.光導纖維可以遠距離

傳播光，光信號又可以轉換成甩信號，進而變?yōu)槁曇?、圖像.如果把許多（上萬根）光導纖維

合成一束，并使兩端的纖維按聲格相同的次序排列，就可以傳播圖像了.

,，外套

A內芯

2.光導纖維的折射率

設光導纖維的折射率為〃，當入射角為仇時，進入端面的折射光線傳到側面時恰好發(fā)生

全反射，如圖所示，則有sinC=A〃=曾，C+a=90。，由以上各式可得sind="^T.

nsinG2

由圖可知：當小增大時，取增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角90。一仇減小，當

%=90。時，若90。一。=。，則所有進入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即解得〃=&.以上

是光從纖維射向真空時得到的折射率，由于■光導纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射

率大，因此實際內芯的折射率要比四大些.

典例示范

如圖所示，一根長為/=5.0m的光導纖維是用折射率〃=或的材料制成的.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(jīng)過一系列全反射后從右端射出，求:

⑴該激光在光導纖維中的速度。:

（2）該激光在光導纖維中傳輸所經(jīng)歷的時間.

素養(yǎng)訓練3（多選）光纖通信采用的光導纖維由內芯和外套組成，如圖所示，其中內芯的

折射率為〃I，外套的折射率為〃2,下面說法正確的是（）

A.內芯和外套的折射率應滿足?。尽?

B.內芯和外套的折射率應滿足加＜〃2

C.從左端面入射的光線，其入射角〃必須大于某值，全部光才能被傳導

D.從左端面入射的光線，其入射角。必須小于某值，全部光才能被傳導

素養(yǎng)訓練4空氣中兩條光線a和力從方框左側入射，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〃=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(chǎn)生圖中效果的是（）

*7

ABCD

隨堂演練?自主檢測——突出創(chuàng)新性素養(yǎng)達標

1.關于全反射，下列敘述正確的是（）

A.發(fā)生全反射時仍有折射光線，只是折射光線非常弱

B.光從光密介質射向光疏介質時，?定會發(fā)生全反射現(xiàn)象

C.光從光密介質射向光疏介質時，可能不發(fā)生全反射現(xiàn)象

D.光從光疏介質射向光密介質時，可能發(fā)生全反射現(xiàn)象

2.（多選）當光從光密介質射向光疏介質時（）

A.反射光線的強度隨入射角的增大而減小

B.折射光線的強度隨入射角的增大而減小

C.當入射角等于臨界角時，折射光線的強度等于零

D.當入射角等于零時，反射光線的強度等于零

3.一束光由空氣射向半圓柱體玻璃磚，。點為該玻璃磚截面的圓心，下圖中能正確描述

其光路的是（）

4.下列選項為光線由空氣進入全反射玻璃棱鏡再由棱鏡射入空氣的光路圖.可以發(fā)生的

是（）

5.如圖是網(wǎng)絡信號在一段光纖中傳播的示意圖，則下列說法正確的是（）

，外包層

'纖芯

左端面

A.纖芯的折射率應小于外包層的折射率，才能使光信號在二者之間的界面處發(fā)生全反

射

B.增大左端面的入射角仇外包層與纖芯之間的界面處發(fā)生全反射的臨界角隨之增大

C.增大左端面的入射角氏左端面的折射角隨之增大

D.增大左端面的入射角仇纖芯的折射率隨之增大

3.光的全反射

必備知識咱主學習

1.⑴光疏光密⑶相對

2.全反射

^―?、

1.入射角

2.(1)光疏

3.(2)容易

1.全反射

2.全反射

3.聲音圖像

4.抗干擾能力

關鍵能力?合作探究

探究點一

【導學探究】

提示：不正確.要發(fā)生全反射必須是光從光密介質射向光疏介質.而水相對玻璃是光疏

介質，所以不管入射角多大都不可能發(fā)生全反射.

【典例示范】

例1解析：如題圖所示，根據(jù)折射定律得〃=四變①

sinr

由題意可知sinC=2②

n

而。=90。一廣③

由②(③得cosr=2④

n

而cosr=Vl-sin2r,

代入④得A/1—si712r=乙⑤

聯(lián)立①和⑤解得〃=?.

答案：7

素養(yǎng)訓練I解析：三條入射光線沿著指向圓心的方向由空氣射向玻璃磚，在圓周界面，

它們的入射角為零，均不會偏折.在直徑界面，光線。。的入射角最大，光線cO的入射角最

小，它們都是從光密介質射向光疏介質，都有發(fā)生全反射的可能.如果只有一條光線發(fā)生了

全反射，那一定是“O光線，因為它的入射角最大，A正確；若光線能發(fā)生全反射，說明

它的入射角等于或大于臨界角，光線〃。的入射角更大，所以，光線“O一定能發(fā)生全反射,

光線cO的入射角可能大于臨界角，也可能小于臨界角，因此c。不一定能發(fā)生全反射，C正

確，B錯誤；若光線恰能發(fā)生全反射，光線〃。和cO都不能發(fā)生全反射，但的入射

角更接近于臨界角，所以光線力。的反射光線較光線cO的反射光線強，即〃。的反射光線亮

度較大，D正確.

答案：ACD

素養(yǎng)訓練2解析：（1）光路如圖所示，圖中N點為光線在AC邊發(fā)生反射的入射點.

設光線在尸點的入射角為，、折射角為r,在M點的入射角為八折射角依題意得也為。

且/=60°①

由折射定律得

sin/=7?sinr②

nsin/?*=sini③

由②?式得④

00,為過M點的法線，NC為直角，OO，〃AC.由幾何關系知NMNC="

由反射定律可知NPNA=/MNC⑥

聯(lián)立④⑤⑥式得/PNA=r⑦

由幾何關系得r=30。⑧

聯(lián)立①②⑧式得”=次.⑨

（2）設在N點的入射角為V,由幾何關系得

r=6o°⑩

此三棱鏡的全反射臨界角滿足

nsinC=1?

由⑨@?式得i">C

此光線在N點發(fā)生全反射，三棱鏡的AC邊沒有光線透出.

答案：（1）通（2）三棱鏡的AC邊沒有光線透出分析見解析

探究點二

【典例示范】

例2解析：（1）由〃=（可得。七2』X心m/s.

（2）由〃=繇可得光線從左端面射入后的折射角為30%射到側面時的入射角為6。。，大

于臨界角45。，因此發(fā)生全反射.同理光線每次在側面都將發(fā)生全反射，直到光線到達右端

面，其光路如圖所示.由幾何關系可以求出光線在光導纖維中通過的總路程s=1,因此該

激光在光導纖維中傳輸所經(jīng)歷的時間/=三-2.7義10-81

V

答案：(1)2.1X1()8m/s(2)2.7X108s

素養(yǎng)訓練3解析：光纖通信是利用光的全反射原理來工作的，光只有從光密介質進入

光疏介質中時，才能發(fā)生全反射，因而內芯和外套的折射率應滿足用＞〃2.從題圖中看由左端

面入射的光線，其入射角越小，進入介質后，在內芯與外套的界面上入射角越大，越易發(fā)生

全反射，故A、D正確.

答案：AD

素養(yǎng)訓練4解析：四個選項的光路圖如圖所示：

可知B正確.

答案：B

隨堂演練咱主檢測

I.解析：發(fā)生全反射時折射光線的能量為零，折射光線消失，所以選項A錯誤；發(fā)生

全反射的條件是先從光密介質時向光流介質，且入射角大尸或等F臨界角，二者缺一不可，

所以選項B、D錯誤，C正確.