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《选择性必修第一册》 第四章 光
4.2 全反射
学习目标
1.知道光密介质和光疏介质的概念，认识光的全反射现象。
2.知道全反射棱镜及其应用。
3.初步了解光导纤维的工作原理及光纤技术对社会经济生活的重大影响。
目录
03
光导纤维
01
02
全反射棱镜
全反射
环节一：课堂引入
水中的气泡和叶子上的露珠看起来特别明亮；炎热夏天，柏油路面有时看起来特别明亮,像水洗过的一样。这又是为什么呢？
环节二：全反射
（一）光密介质和光疏介质
问题：什么是光密介质，什么是光疏介质？（学生阅读课本回答）
光疏介质:两种介质中折射率较小的介质叫做光疏介质。
光密介质:两种介质中折射率较大的介质叫做光密介质.
注意:
任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质。如，水、水晶和金刚石三种物质相比较，水晶对水来说是光密介质，对金刚石来说则是光疏介质。
（二）入射角与折射角的大小关系
N
N'
A
O
B
光疏介质
光密介质
i
r
光从光疏介质进入光密介质
光从光密介质进入光疏介质
i
N
N'
A
O
B
光疏介质
光密介质
r
入射角与折射角的那个较大？
（三）全反射
光从光密介质进入光疏介质，入射角增大，折射角也增大，谁先达到90°？若继续增大入射角？（观看视频小组合作讨论，代表发言）
现象：随着入射角的逐渐增大的过程中，折射角逐渐增大 ；折射光线亮度逐渐减弱；反射角逐渐增大；反射光线亮度逐渐增强；当入射角增大到某一角度时，折射光线消失，所有光线全部反射。
（三）全反射
1.全反射定义：
光由光密介质射到光疏介质时，光线不发生折射，而全部返回到原介质中继续传播的现象。
玻璃
空气
C
此时的入射角称为——临界角
2.发生全反射的条件：
（1）光从光密介质射入光疏介质；
（2）入射角等于或大于临界角；
（三）全反射
3.折射率与临界角的关系：（光由介质射入真空中）
界面
真空
介质
C
注意：
(1)只有光从介质射入真空（空气）的交界面时，才能这样求临界角。
(2)n越大，临界角越小，也就越容易发生全发射。
全反射棱镜
光导纤维
全反射在生活中有哪些应用？
学生进行小组交流讨论
1.(多选)光从介质1通过两种介质的界面进入介质2的光路如图所示。下列论述正确的是(　　)
A．光在介质1中的传播速度较大
B．光在介质2中的传播速度较大
C．光从介质1射向两种介质的界面时，
不可能发生全反射现象
D．光从介质2射向两种介质的界面时，
可能发生全反射现象
ACD
（四）小试牛刀
2．(多选)透明的水面上有一圆形荷叶，叶梗直立在水中，紧靠叶梗有一条小鱼，在岸上的人恰能看到小鱼，则(　　)
A．当小鱼潜深点时，人就看不到它了
B．当小鱼潜深点时，人照样能看到它
C．当小鱼上浮点时，人就看不到它了
D．当小鱼上浮点时，人照样看到它
BC
（四）小试牛刀
环节三：全反射棱镜和光导纤维
（一）全反射棱镜
问题：什么是全反射棱镜，有什么作用？（学生阅读课本，派代表回答）
玻璃棱镜的截面为等腰直角三角形，当光从图中所示的方向射入玻璃时，由于光的方向与玻璃面垂直，光线不发生偏折。但在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，入射角大于临界角，发生全反射。
与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达 100%。这种棱镜在光学仪器中可用来改变光的方向。
（一）全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜
(1)截面为等腰直角三角形的玻璃棱镜
(2)原理：利用全反射原理
(3)特点：(玻璃的临界角为32°—42°)
①当光垂直于它的任意一个界面射入后，都会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高
②反射面不必涂敷任何反光物质
(4)作用：改变光的方向，可使光的传播方向改变90°或180°
45
45
45
45
45
45
（一）全反射棱镜
（二）全反射棱镜的应用
潜望镜
（二）全反射棱镜的应用
自行车尾灯
（二）全反射棱镜的应用
对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像．
当然，如果在玻璃的前表面镀银，就不会产生多个像，一般的平面镜都是在玻璃的后面镀银， 但是银面容易脱落．因此对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜．与平面镜相比,它的反射率高,几乎可达100%。
（三）光导纤维
问题：光导纤维的工作原理与结构？（小组讨论，代表发言）
(1)原理：利用全反射原理
(2)构造：由折射率较高的玻璃内芯和折射率较低的外层透明介质组成，因为内芯的折射率比外套的大，所以，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射
(3)优点：容量大、衰减小、抗干扰性强
（四）观察光在弯曲的有机玻璃棒中传播的路径
（五）光导纤维的应用
医用内窥镜：医学上将其制成内窥镜，用来检查人体内脏的内部。
光纤通信：光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强。
（五）光导纤维的应用
一路光纤的传输能力理论值为二十亿路电话，一千万路电视。虽然光纤通信的发展历史只有20多年的，但是发展的速度是惊人的。
课堂小结
全反射
光疏介质与光密介质
光从光密介质射入光疏介质
全反射的条件
全反射棱镜及其应用
全反射现象：折射光线消失
入射角大于或等于临界角
光导纤维及其应用
1. 一个半圆柱形玻璃砖,其横截面是半径
为R的半圆,AB为半圆的直径,O为圆心,如图所示。
玻璃的折射率为n= 。
(1)一束平行光垂直射向玻璃砖的下表面,若光线
到达上表面后,都能从该表面射出,则入射光束在AB上的最大宽度为多少
课堂检测
解析:(1)在O点左侧,设从E点射入的光线进入玻璃砖后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角θ,则OE区域的入射光线经上表面折射后都能从玻璃砖射出,如图甲所示。由全反射条件有sin θ= ①
由几何关系有lOE=Rsin θ②
由对称性可知,若光线都能从上表面射出,光束的宽度最大为 l=2lOE③
联立①②③式,代入已知数据得l= R。④
课堂检测
课堂检测
射到G点的光有一部分被反射,沿原路返回到达C点射出。
2. 自行车上的红色尾灯不仅是装饰品,也是夜间骑车的安全指示灯,它能把来自后面的光线反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率n> )组成,棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直于AB边射入棱镜,先后经过AC和CB边反射后,从AB边的O'点射出,则出射光线是(　　)
A.平行于AC边的光线① B.平行于入射光线的光线②
C.平行于CB边的光线③ D.沿AB边的光线④
答案:B
解析:由题意可知,等腰直角棱镜的折射率n> ,且sin C= ,得临界角小于45°,由题图可得,光从空气进入棱镜,因入射角为0°,所以光线不偏折。当光从棱镜射向空气时,入射角等于45°,发生全反射,根据几何关系,结合光路可逆可知,出射光线是②,即平行于入射光线,故B正确,A、C、D错误。
课堂检测
3.某有线制导导弹发射时,在导弹发射基地和导弹间连一根细如蛛丝的特制光纤,它双向传输信号,能达到有线制导作用。光纤由纤芯和包层组成,其剖面如图所示,其中纤芯材料的折射率n1=2,包层折射率n2= ,光纤长度l为6 km。已知当光从折射率为n1的介质射入折射率为n2的介质时,入射角θ1、折射角θ2间满足:n1sin θ1=n2sin θ2。
(1)试通过计算说明从光纤一端入射的光信号
是否会通过包层“泄漏”出去。
(2)若导弹飞行过程中,将有关参数转变为光信号,利用光纤发回发射基地经瞬间处理后转化为指令光信号返回导弹,求信号往返需要的最长时间。
答案:(1)见解析　(2)1.6×10-4 s
课堂检测
解析:(1)如图所示,由题意知在纤芯和包层分界面上全反射临界角C满足n1sin C=n2sin 90°,得C=60°。当在端面上的入射角最大(i=90°)时,折射角r也最大,在纤芯与包层分界面上的入射角i'最小,当端面上i=90°时,
所以,在所有情况中从端面入射到光纤中的信号都会发生全反射,光信号不会从包层中“泄漏”出去。
课堂检测

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