第4章 3 光的全反射

1、.3.光的全反射學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1.理解全反射現(xiàn)象和臨界角的概念.2.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)和發(fā)生全反射的條件重點(diǎn)3.可以解釋全反射現(xiàn)象，會(huì)計(jì)算臨界角重點(diǎn)、難點(diǎn)4.初步理解光導(dǎo)纖維的工作原理和光纖在消費(fèi)、生活中的應(yīng)用.全反射現(xiàn)象和全反射條件 1全反射現(xiàn)象1光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)概念：兩種介質(zhì)比較，折射率小的介質(zhì)叫做光疏介質(zhì)，折射率大的介質(zhì)叫做光密介質(zhì)光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的傳播速度小相對性：光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對的2全反射現(xiàn)象光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，假設(shè)入射角增大到某一角度，折射光線就會(huì)消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象2全反射條件1臨界角我們把光從某種介質(zhì)射向真空或空氣

2、時(shí)使折射角變?yōu)?0°時(shí)的入射角，稱為這種介質(zhì)的臨界角2全反射的條件要發(fā)生全反射，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)入射角大于等于臨界角3臨界角與折射率的關(guān)系定量關(guān)系：光由介質(zhì)射入空氣或真空時(shí)，sin C.定性關(guān)系：介質(zhì)折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小，越容易發(fā)生全反射1光從空氣射入水中時(shí)可能發(fā)生全反射現(xiàn)象×2密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì)×3兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)是光密介質(zhì)4光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)具有絕對性×1只有一種介質(zhì)能否確定它是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？【提示】不能光密介質(zhì)、光疏介質(zhì)是對確定的兩種介質(zhì)相比較折射率而確定的，只有一種介質(zhì)是無法

3、比較折射率的，從而無法確定它是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)2為什么水中或玻璃中的氣泡看起來特別亮堂？【提示】水或玻璃中的氣泡是光疏介質(zhì)，光經(jīng)過水或玻璃照射氣泡時(shí)，一部分光會(huì)發(fā)生全反射，相對于其他物體而言，有更多的光反射到人眼中，就好似光是由氣泡發(fā)出的，因此人眼感覺氣泡特別亮堂1光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)1光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的相對性：同種介質(zhì)在不同的比較中結(jié)果可能不同，如水、水晶和金剛石，水晶對水來說是光密介質(zhì)，但對金剛石來說是光疏介質(zhì)2光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)與其密度的關(guān)系：不要把介質(zhì)的疏密與介質(zhì)的密度相混淆密度大不一定是光密介質(zhì)，密度小也未必是光疏介質(zhì)，如水和酒精，水的密度大，但二者相比水是光疏介質(zhì)；光密介質(zhì)和光

4、疏介質(zhì)是相對的，介質(zhì)密度的大小是絕對的一般說來，同一種介質(zhì)密度越大，對光的折射程度越大3由v可知：光在光密介質(zhì)中傳播速度比在光疏介質(zhì)中要小2入射光線、反射光線、折射光線的方向變化及能量分配關(guān)系1折射角隨著入射角的增大而增大；2折射角增大的同時(shí)，折射光線的強(qiáng)度減弱，即折射光線的能量減小，亮度減弱，而反射光線的強(qiáng)度增強(qiáng)，能量增大，亮度增加；3當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)即臨界角，折射光能量減弱到零即折射角為90°，入射光的能量全部反射回來，這就是全反射現(xiàn)象3公式sin C只適用于光由介質(zhì)射向真空或空氣時(shí)臨界角的計(jì)算1水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63

5、，假如光按以下幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是A從玻璃射入水晶B從水射入二硫化碳C從玻璃射入水中D從水晶射入水E從玻璃射入二硫化碳【解析】發(fā)生全反射的條件之一是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)折射率較大，故A、C、D正確【答案】ACD2.為了測定某種材料制成的長方體的折射率，用一束光線從AB面以60°入射角射入長方體光陰線剛好不能從BC面射出，如圖4­3­1所示，該材料的折射率是多少？圖4­3­1【解析】如下圖，根據(jù)折射定律：n由題意可知sin C而C90°r由得cos r而cos r，代入得聯(lián)立和解得n.【答案】解答全反射類問題的

6、技巧1光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)2入射角大于或等于臨界角3利用好光路圖中的臨界光線，準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵，且在作光路圖時(shí)盡量與實(shí)際相符，這樣更有利于問題的分析全反射的應(yīng)用光導(dǎo)纖維 1光導(dǎo)纖維對光的傳導(dǎo)原理利用了全反射原理2光導(dǎo)纖維的構(gòu)造光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑從幾微米到幾十微米之間，由內(nèi)芯和外層透明介質(zhì)兩層組成內(nèi)芯的折射率比外套的折射率大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射3光導(dǎo)纖維的應(yīng)用光纖通信光纖通信就是把載有聲音、圖像和各種數(shù)字信號(hào)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(diǎn)容量大、衰減小、抗干擾才能強(qiáng)、傳輸速率高1光纖通信的

7、主要優(yōu)點(diǎn)是容量大2在沙漠里看到的蜃景是一種全反射現(xiàn)象3魚缸中上升的氣泡亮晶晶的，是由于光射到氣泡上發(fā)生了全反射4光纖一般由折射率小的玻璃內(nèi)芯和折射率大的外層透明介質(zhì)組成×1炎熱的夏天，在公路上有時(shí)能看到遠(yuǎn)處物體的倒影，這是一種什么現(xiàn)象？【提示】是一種蜃景現(xiàn)象，是由光的全反射造成的2微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它可以彎曲而不至于斷裂，光纖為什么要由兩層介質(zhì)構(gòu)成？【提示】光纖的工作原理是全反射，要由兩種介質(zhì)配合才能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象1對“海市蜃樓的解釋由于空中大氣的折射和全反射，會(huì)在空中出現(xiàn)“海市蜃樓在海面平靜的日子，站在海濱，有時(shí)可以看到遠(yuǎn)處的空中出現(xiàn)了高樓屹立、街道棋布、山巒重疊等景

8、象1氣候條件：當(dāng)大氣比較平靜且海面與上層空氣溫差較大時(shí)，空氣的密度隨溫度的升高而減小，對光的折射率也隨之減小因海面上的空氣溫度比空中低，空氣的下層比上層折射率大我們可以粗略地把空中的大氣分成許多程度的空氣層，如圖4­3­2所示圖4­3­22光路分析：遠(yuǎn)處的景物反射的光線射向空中時(shí)，不斷被折射，射向折射率較小的上一層的入射角越來越大，當(dāng)光線的入射角大到臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，光線就會(huì)從高空的空氣層中通過空氣的折射逐漸返回折射率較小的下一層3虛像的形成：當(dāng)光線進(jìn)入人的眼睛時(shí)，人總認(rèn)為光是從反向延長線方向發(fā)射而來的，所以地面附近的觀察者就可以觀察到虛像且

9、虛像成像于遠(yuǎn)處的半空中，這就是海市蜃樓的景象如圖4­3­3所示圖4­3­32對“沙漠蜃景的解釋1氣候條件：夏天在沙漠里也會(huì)看到蜃景，太陽照到沙地上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小，折射率也小2光路分析：從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線，進(jìn)入折射率小的熱空氣層時(shí)被折射，入射角逐漸增大，也可能發(fā)生全反射3虛像的形成：人們逆著反射光線看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)處物體的倒影圖4­3­4，仿佛是從水面反射出來的一樣沙漠里的行人常被這種景象所迷惑，以為前方有水源而奔向前去，但總是可望而不可及圖4­3­43光導(dǎo)纖維1構(gòu)造：光導(dǎo)纖維一般由折射

10、率較大的玻璃內(nèi)芯和折射率較小的外層透明介質(zhì)組成，如圖4­3­5所示圖4­3­5實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，外層包上折射率比它小的材料，再把假設(shè)干根光纖集成一束，制成光纜，進(jìn)一步進(jìn)步了光纖的強(qiáng)度2原理：全反射是光導(dǎo)纖維的根本工作原理光在光纖內(nèi)傳播時(shí)，由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，假設(shè)入射角iC臨界角，光就會(huì)在光纖內(nèi)不斷發(fā)生全反射3應(yīng)用：光纖通信是光導(dǎo)纖維的一個(gè)重要應(yīng)用載有聲音、圖像以及各種數(shù)字信號(hào)的激光從光纖一端輸入，就可以傳到千里之外的另一端，實(shí)現(xiàn)光纖通信3下述現(xiàn)象哪些是由于全反射造成的A露水珠或噴泉的水珠，在陽光照耀

11、下格外亮堂B直棒斜插入水中時(shí)呈現(xiàn)彎折現(xiàn)象C口渴的沙漠旅行者，往往會(huì)看到前方有一潭晶瑩的池水，當(dāng)他們喜出望外地奔向那潭池水時(shí)，池水卻總是可望而不可即D在盛水的玻璃杯中放一空試管，用燈光照亮玻璃杯側(cè)面，在水面上觀察水中的試管，看到試管壁特別亮堂E利用“潛望鏡可以從水底觀察水面上的情況【解析】露水珠或噴泉的水珠，在陽光照耀下在部分位置發(fā)生全反射，所以格外亮堂，故A正確；直棒斜插入水中時(shí)呈現(xiàn)彎折現(xiàn)象是由于光的折射，故B不正確；口渴的沙漠旅行者，往往會(huì)看到前方有一潭晶瑩的池水，是折射和全反射形成的現(xiàn)象，故C正確；盛水的玻璃杯中放一空試管，用燈光照亮玻璃杯側(cè)面，在水面上觀察水中的試管，看到試管壁特別亮堂，

12、是由于發(fā)生了全反射，故D正確；“潛望鏡利用了平面鏡成像，為反射現(xiàn)象，E不正確【答案】ACD4.如圖4­3­6所示，一根長為l5.0 m的光導(dǎo)纖維用折射率n的材料制成一束激光由其左端的中心點(diǎn)以45°的入射角射入光導(dǎo)纖維內(nèi)，經(jīng)過一系列全反射后從右端射出，求：圖4­3­61該激光在光導(dǎo)纖維中的速度v是多大；2該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)歷的時(shí)間是多少【解析】1由n可得v2.1×108 m/s.2由n可得光線從左端面射入后的折射角為30°，射到側(cè)面時(shí)的入射角為60°，大于臨界角45°，因此發(fā)生全反射同理光線每次在側(cè)面都將發(fā)生全反射，直到光線到達(dá)右端面由幾何關(guān)系可以求出光線在光導(dǎo)纖維中通過的