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2．全反射
[学习目标]　1．了解光的全反射，知道光疏介质、光密介质、临界角等概念。2．了解光导纤维的原理及应用。3．理解全反射的条件，能利用全反射规律解释相关问题。4．观察全反射现象，经历探究全反射规律的过程。5．借助全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用，培养学生兴趣。
[教用·问题初探]——通过让学生回答问题来了解预习教材的情况
问题1　水中的气泡为什么特别明亮？怎样才容易说清楚这个问题？
问题2　如果是玻璃子弹放在水中，子弹会显得特别明亮吗？
问题3　海面上空常常出现奇特的“海市蜃楼”光学现象，“海市蜃楼”涉及光的哪种原理？
　全反射
【链接教材】　如人教版P90图4.2-1所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。
问题1　比较图甲、乙，逐渐增大入射角，反射角(光线)和折射角(光线)有什么变化？
提示：图甲→图乙：入射角逐渐增大，反射角、折射角都逐渐增大；反射光越来越强，折射光越来越弱。
问题2　观察图丙，有什么特点？
提示：图丙中折射光消失，反射光与入射光的亮度几乎相同，发生了全反射。
【知识梳理】　
1．光疏介质和光密介质：对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的称为光疏介质，折射率较大的称为光密介质。光疏介质与光密介质是相对的。
2．全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光。这种现象叫作全反射，这时的入射角叫作临界角。
3．全反射的发生条件
(1)光从光密介质射入光疏介质。
(2)入射角大于或等于临界角。
4．临界角C与折射率n的关系：光从介质射入空气(真空)时，sin C＝。
提醒：介质的折射率越大，光线发生全反射的临界角越小。
【思考讨论】
问题1　如表所示，分别列出了四种物质的折射率、密度值，据此思考以下问题：
介质 水 酒精 玻璃 金刚石
折射率n 1.33 1.36 1.5～1.8 2.42
密度/(×103 kg·m-3) 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52
(1)“两种介质相比较，密度大的介质一定是光密介质”，这种说法正确吗？试举例说明。
(2)光从哪种介质射入空气更容易发生全反射？
提示：(1)不正确，光密介质和光疏介质具有相对性，折射率是反映介质光学性质的物理量，与介质的密度没有必然联系。如酒精的密度比水的密度小，但其折射率比水的折射率大，酒精相对于水是光密介质。
(2)介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射，故光从金刚石射入空气更容易发生全反射。
问题2　如图所示，光由光密介质进入光疏介质时，如果入射角不断增大，哪个角先达到90°？使折射角增大到90°时，会出现什么现象？
提示：θ2先达到90°；只有反射现象没有折射现象。
【知识归纳】　
1．全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用。
2．从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大，同时折射光强度减弱，能量减小，反射光强度增强，能量增大，当入射角达到临界角时，折射光强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。
3．含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质，由于介质对不同色光的折射率不同，各种色光的偏折程度不同。
各种色光的比较
颜色 红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫
频率f 低→高
同一介质中的折射率 小→大
同一介质中速度 大→小
波长 大→小
临界角 大→小
通过棱镜的偏折角 小→大
注意：各种色光在真空中速度一样。
【典例1】　(全反射现象的理解)如图所示，一束红光以30°入射角射向半圆玻璃砖的平直边，在玻璃砖与空气的分界面上发生了反射和折射。若保持半圆玻璃砖不动，入射光线与法线的夹角从30°缓慢增大到90°的过程中(　　)
A．反射角变小　　　 B．反射光的亮度不变
C．折射光的亮度不变 　 D．折射光会消失
D　[入射光线与法线的夹角从30°缓慢增大到90°的过程中，反射角变大，反射光的亮度增大，折射光的亮度减小，当入射角到达临界角时，全部光线返回原介质，即发生全反射，此时折射光消失，反射光亮度最大。故选项A、B、C错误，D正确。故选D。]
【教用·备选例题】　(对光的全反射的理解)如图甲所示，为研究一半圆柱体透明新材料的光学性质，用激光由真空沿半圆柱体径向射入，入射光线与法线成θ角，光学传感器CD可以探测反射光的强度。实验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变化的情况如图乙所示。光在真空中传播速度为c，则该激光在这种透明新材料中(　　)
A．折射率为
B．传播速度为c
C．θ＝0°时，反射光强度为0
D．反射光的强度随θ角的增大而增大
B　[根据题图乙可知当θ＝60°时激光恰好发生全反射，得n＝＝，故A错误；根据光的速度公式得v＝＝c，故B正确；θ＝0°时，大量的激光从O点射出，少量激光反射，即反射光强度不为0，故C错误；根据题图乙可得，当θ≥60°时激光发生全反射，反射光的强度不变，故D错误。]
【典例2】　(全反射的计算)(2024·全国甲卷)一玻璃柱的折射率n＝，其横截面为四分之一圆，圆的半径为R，如图所示。截面所在平面内，一束与AB边平行的光线从圆弧入射。入射光线与AB边的距离由小变大，距离为h时，光线进入柱体后射到BC边恰好发生全反射。求此时h与R的比值。
[解析]　根据题意画出入射光线与AB边的距离为h时的光路图，如图所示。
则由折射定律有n＝＝
由全反射临界角公式有sin C0＝
由几何关系有
i＝r＋C0
h＝R sin i
联立解得＝。
[答案]　
　解决全反射问题的基本思路
(1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。
(2)若由光密介质进入空气，则根据sin C＝确定临界角，看是否发生全反射。
(3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。
(4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、动态分析和定量计算。
【教用·备选例题】　(源自教科版教材)(全反射现象的应用)在平静的水面下1 m处有一点光源Q，求这个点光源发出的光能从多大面积的水面上射出来。(水的折射率为1.33)
[解析]　如图所示，O为点光源正上方水面上一点，P为光以临界角入射到水面上的一点，以R＝OP为半径的圆的面积即为水面透光的面积。
在Rt△PQO中
R＝QO tan A
因QO＝1 m，sin A＝sin C＝＝
所以tan A＝≈1.14
所以R＝1×1.14m＝1.14 m
圆面的面积
S＝πR2≈3.14×1.142 m2≈4.08 m2。
[答案]　4.08 m2
　全反射棱镜和光导纤维
【链接教材】　人教版教材P92图4.2-5为双筒望远镜，其核心部件是全反射棱镜；P93图4.2-9为医用内窥镜，其重要部件是光导纤维做成的传像束。
问题1　全反射棱镜应用了光的全反射原理，其构造有什么特点？
提示：全反射棱镜的截面是等腰直角三角形。
问题2　光导纤维应用了什么原理？其构造有什么特点？
提示：光导纤维应用了光的全反射原理，其构造是非常细的特制玻璃丝，它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大。
【知识梳理】　
1．全反射棱镜
(1)形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。
(2)全反射棱镜的特点：当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射，与平面镜相比，它的反射率很高。
2．光导纤维
(1)导光原理：利用了光的全反射。
(2)构造：由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
(3)光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。
(4)光纤通信的优点是传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。
【思考讨论】　自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。如图为尾灯的光路原理。
问题1　自行车的尾灯利用了什么原理？
提示：利用了光的全反射原理。
问题2　光在哪个面发生了全反射？其光路有什么特点？
提示：光在尾灯的右侧两个直角边上连续发生了两次全反射，使入射光线方向改变了180°。
【知识归纳】　
1．光通过全反射棱镜时的几种入射方式
方式一 方式二 方式三
光路图
入射面 AB AC AB
全反射面 AC AB、BC AC
光线方向改变角度 90° 180° 0°(发生侧移)
2．光导纤维内芯的折射率
设光导纤维内芯的折射率为n，当入射光线的入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示。
则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中的光线的角θ减小。当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有sin 90°＝，解得n＝。故当光导纤维折射率为时，就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射。
【典例3】　(全反射棱镜)空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示，方框内有两个折射率为n＝1.5的全反射棱镜。下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满足题意的是(　　)
A　　　　B　　　　C　　　　D
B　[四个选项中棱镜产生的光路效果如图所示，由光路图知，选项B满足题意。
A　　　　　　B
C　　　　　　D]
【典例4】　(光导纤维)如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率n＝的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，真空中光的传播速度c＝3.0×108 m/s，求：(结果保留2位有效数字)
(1)该激光在光导纤维中的速度v；
(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间。
[解析]　(1)由n＝可得v≈2.1×108 m/s。
(2)由n＝可得光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°(由sin C＝得出)，因此发生全反射。同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面，其光路如图所示。
由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝≈2.7×10-8 s。
[答案]　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10-8 s
　求解光导纤维问题的注意点
(1)全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于或等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。
(2)传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值。在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，传播时间最长。
【教用·备选例题】
1．(光纤通信)如图所示为某种新型光导纤维材料的一小段，材料呈圆柱状，其横截面为矩形MNPQ，其中MQ为直径，一束单色光在纸面内以入射角α从空气射向圆心O。
(1)若α＝45°时，单色光刚好不从MN射出，求光导纤维的折射率；
(2)若无论入射角α为多少，单色光都不从MN或QP射出，求光导纤维的折射率的最小值。
[解析]　(1)如图甲所示
由题意知n＝，sin C＝，C＋r＝90°
解得n＝。
(2)如图乙所示
当α＝90°时，单色光刚好不从MN或QP射出，此时光导纤维的折射率最小，则有n＝，sin C＝，C＋r＝90°
解得n＝。
[答案]　(1)　(2)
3．(不同频率光的全反射)在北方寒冷的冬天，有时会出现“多个太阳”的“幻日”奇观，这是空气中的水蒸气在极冷的大气里凝结成了小冰晶，太阳光线通过冰晶发生折射的缘故。如图所示为太阳光照射到六角形冰晶上折射的光路图，a、b是太阳光中的两种单色光，由此可以判断，冰晶对单色光a的折射率________(选填“大于”或“小于”)冰晶对单色光b的折射率，单色光a在冰晶中的传播速度比单色光b在冰晶中的传播速度________(选填“大”或“小”)。如果让太阳光从水中射向空气，逐渐增大入射角，则a、b两种单色光中，单色光________(选填“a”或“b”)更容易发生全反射。
[解析]　由题图可知，单色光b偏折较大，单色光a偏折较小，所以此冰晶对单色光a的折射率小于冰晶对单色光b的折射率；根据v＝可知，单色光a在冰晶中的传播速度比单色光b在冰晶中的传播速度大；根据sin C＝可知，单色光b的临界角较小，所以单色光b比单色光a更容易发生全反射。
[答案]　小于　大　b
1．某种介质的折射率n＝，一束单色光从该介质射向空气。Ⅰ为空气，Ⅱ为介质，入射角是60°，则下列光路图正确的是(　　)
A　　　　　　　　B
C　　　　　　　　D
D　[从介质射向空气，设临界角为C，则sin C＝，可得临界角C＝45°，而入射角大于临界角，因此单色光发生全反射，不会有光线射出介质。故选D。]
2．(源自鲁科版教材)某科技馆内有一个半径为R的半圆柱形透明体，其俯视图如图所示。为估测该透明体材料的折射率，某同学进行了如下实验：用激光笔从右侧沿垂直于直径AB方向朝透明体射入，保持入射方向不变，入射点由圆心O处缓慢向A处移动，观察到从圆弧面上射出的光逐渐减弱。当入射点到达C处时，恰好看不到光从圆弧面上D处射出，测得OC＝0.6R。由此，可求出透明体材料的折射率为(　　)
A．　　　B．　　　C．　　　D．
D　[当入射点到达C处时，光线入射到透明体，恰好看不到光从圆弧面上D处射出，则可知在D点恰好发生全反射，设∠ODC＝θ，透明体材料的折射率为n，则sin θ＝＝0.6，由题意知θ即为临界角，sin θ＝，解得n＝，即透明体材料的折射率为，故D正确，A、B、C错误。]
3．如图所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层用折射率比玻璃小的介质包覆。若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为θ，则下列有关此光线传播方式的叙述正确的是(　　)
A．不论θ为何值，光线都不会发生全反射
B．不论θ为何值，光线都会发生全反射
C．θ够小时，光线才会发生全反射
D．θ够大时，光线才会发生全反射
C　[发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质及入射角i要大于或等于临界角C，即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足i＝90°－θ≥C，θ≤90°－C，故选项C正确。]
4．瓦斯是无色、无味、透明的气体，折射率比空气大。如图所示是煤矿安保系统中常用的一种逻辑判断元件，这种元件的“核心构件”是两个完全相同的、截面为等腰直角三角形的棱镜，两个棱镜被平行拉开一小段距离，形成的通道与矿道大气相通。棱镜对红光的折射率为 1.5, 一束红光从棱镜1的左侧垂直射入，下列说法正确的是(　　)
A．正常情况下这束红光能通过棱镜2射出
B．将入射光改成绿光能提高瓦斯检测的灵敏度
C．只要矿道空气中存在瓦斯，这束红光便不能从棱镜2射出
D．只有矿道空气中瓦斯达到危险浓度时，这束红光才能从棱镜2射出
D　[因为棱镜对红光的折射率为1.5，则sin C＝＝，则临界角C<45°，所以当一束红光从棱镜1的左侧垂直射入时，在棱镜1的斜边的入射角为45°，正常情况下会发生全反射，所以正常情况下这束红光不能通过棱镜2射出，故A错误；因为绿光的折射率比红光大，临界角更小，故将入射光改成绿光不能提高瓦斯检测的灵敏度，故B错误；当矿道空气中瓦斯的浓度足够大时，这束红光才能从棱镜2射出，故C错误，D正确。]
回归本节知识，完成以下问题：
1．发生全反射的条件是什么？
提示：光由光密介质进入光疏介质，入射角大于或等于临界角。
2．密度大的介质一定是光密介质吗？
提示：不一定。
3．光的全反射有哪些常见应用？
提示：全反射棱镜、光导纤维、内窥镜。
光纤通信发展新趋势——全光网络
在光纤光缆中实现超高速、超大容量和超长距离的传输是光纤通信技术所不懈追求的，而实现全光网络覆盖是光纤通信的最终目标。
所谓全光网络，是指网络传输与网络交换过程全部以光信号完成，只在进出网络时才进行光电转换。在传输过程中无需对电信号进行处理，因此可采用SDH、PDH和ATM等各种传输方式，有效地提高网络利用率。全光网络将是光纤通信技术发展的终极目标和理想阶段，未来的超高速通信网络将由全光网络覆盖。现有的光纤网络仅仅实现了网络节点之间的全光通信，而网络节点部分仍为电器件，电器件自身的性能成了通信系统骨干网总容量提高的一大瓶颈。全光网络中全部环节的电节点都由光节点替换，节点之间的通信也实现了全光化，信息的传输与交换始终以光信号形式完成，在对数据信息进行计算与处理的过程
中不再以“比特”为基本单位，取而代之的是“波长”。因此，全光网络将是今后光纤通信技术研究中一个非常重要的课题，也是一个具有颠覆性的课题。目前，全光网络还处在发展初期、理论研究阶段，但已显现出良好的发展势头与明显的技术优势。从技术发展趋势来看，形成一个以光交换技术结合WDM技术为核心的光通信网络层，通过消除光电转换瓶颈从而建立全光网络已成为光纤通信发展的必然趋势，更是未来通信系统传输网络的核心。
1．光纤通信的原理是什么？
提示：光的全反射。
2．光纤通信的优点有哪些？
提示：信息传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。
课时分层作业(十七)　全反射
?题组一　全反射
1．(多选)下述现象哪些是光的全反射造成的(　　)
A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮
B．直棒斜插入水中时呈现弯折现象
C．口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可及
D．在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮
ACD　[全反射是光线由光密介质传到光疏介质中，入射角大于或等于全反射的临界角所形成的。露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮，属于全反射现象，故A正确；直棒斜插入水中时呈现弯折现象，这是光的折射现象，故B错误；口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，这是光的全反射造成的现象，故C正确；在盛水的玻璃杯中放一空试管，灯光照射时，看到试管壁特别明亮，这是光的全反射造成的，故D正确。故选ACD。]
2．某种材料制成的半圆形透明砖平放在方格纸上，将激光束垂直于AC面射入，可以看到光束从圆弧面ABC出射，沿AC方向缓慢平移该砖，在如图所示位置时，出射光束恰好消失，该材料的折射率为(　　)
A．1.2 　 B．1.4
C．1.6 　 D．1.8
A　[
在题图所示位置时，出射光束恰好消失，作出法线如图中虚线所示。根据全反射公式可知n＝，根据几何关系有sin θ＝，联立解得n＝1.2，故A正确，B、C、D错误。]
3．(多选)(2024·甘肃卷)如图为一半圆柱形均匀透明材料的横截面，一束红光a从空气沿半径方向入射到圆心O，当θ＝30°时，反射光b和折射光c刚好垂直。下列说法正确的是(　　)
A．该材料对红光的折射率为
B．若θ＝45°，光线c消失
C．若入射光a变为白光，光线b为白光
D．若入射光a变为紫光，光线b和c仍然垂直
ABC　[
根据几何关系可知，当入射角θ＝30°时，折射角β＝90°－θ＝60°，如图所示，根据折射定律可得n＝＝，A正确；根据全反射临界角公式可知sin C＝＝，由于sin 45°＝>，则45°>C，因此θ＝45°时，光在O点发生全反射，光线c消失，B正确；光在界面处发生反射时，不改变光的颜色，则入射光的颜色与反射光的颜色相同，C正确；若入射光a变为紫色，则折射角增大，反射角不变，根据几何关系可知，光线b和c的夹角将小于90°，D错误。]
4．如图所示，直角三角形为某种透明介质的横截面，∠B＝30°，P为BD边上的一点。若某单色光从P点垂直BD射入介质，在AB边恰好发生全反射，则介质对该光的折射率为(　　)
A．　　B．　　C．2　　D．
C　[
单色光从P点垂直BD射入介质，在AB边恰好发生全反射，光路图如图所示，根据几何关系可知，该光在AB边上发生全反射的临界角C＝30°，由sin C＝，解得n＝2，故选C。]
5．如图所示，一碗口直径为12 cm的碗的中央深度为8 cm。将碗注满水后，在碗底中央放置一颗黄豆，在距离水面12 cm的水平面上有相邻位置相隔6 cm的六个位置，六个位置处在同一直线上，其中位置1在碗中央的正上方。已知水的折射率为，则可以看到黄豆的位置(　　)
A．有位置1、2、3　 B．有位置1、2、3、4
C．有位置1、2、3、4、5　 D．有位置1、2、3、4、5、6
B　[光由水射向空气，临界角为C，满足sin C＝＝，而光由黄豆射向碗的边沿时sin i＝，显然光没有发生全反射，由折射定律有＝，解得sin r＝，则tan r＝，由几何关系知，在水面上方12 cm，到位置2右侧距离16 cm的范围内，均可看到黄豆，故位置有1、2、3、4。故选B。]
6．一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。
[解析]　当入射角达到45°时，恰好到达临界角C
根据sin C＝
可得液体的折射率
n＝＝＝
由于n＝
可知激光在液体中的传播速度
v＝＝c。
[答案]　c
?题组二　全反射棱镜和光导纤维
7．自行车的尾灯应用了全反射棱镜，它本身不发光，夜间骑车时，从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面的自行车，尾灯由折射率大于的透明介质制成，其外形如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射
B．汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射
C．汽车灯光斜向右面入射，一定会发生全反射
D．为了提高安全性，制成尾灯的透明介质的折射率越大越好，折射率越大，光进入介质后传播速度越大
B　[由题图可知，汽车灯光应从右面射向自行车尾灯，光在尾灯内部左表面发生全反射，使自行车后面的汽车司机发现前面有自行车，避免事故的发生，故A错误，B正确；汽车灯光斜向右面入射时，光到达尾灯内部左表面时的入射角有可能小于临界角，不一定发生全反射，故C错误；由v＝可知，折射率越大的介质，光在其中的传播速度越小，故D错误。]
8．如图所示是某种新型光导纤维材料的一小段，材料呈圆柱状，其中MQ为直径，一束单色光以入射角α从空气射向圆心O，下列说法正确的是(　　)
A．光纤通信应用了光的折射
B．单色光从MQ射入光导纤维时，折射角大于入射角
C．若α＝45°时，单色光刚好不从MN射出，则光导纤维的折射率为
D．若光导纤维的折射率为2，则无论入射角α多大，单色光都不会从MN或QP射出
D　[光纤通信应用了光的全反射，故A错误；单色光从MQ射入光导纤维时，即从光疏介质进入光密介质，折射角小于入射角，故B错误；若α＝45°时，单色光刚好不从MN射出，光路图如图所示，根据折射定律n＝，临界角公式sin C＝，根据几何关系有C＋r＝90°，则光导纤维的折射率为n＝，故C错误；无论入射角α为多少，单色光都不会从MN或QP射出，光导纤维的折射率最小时，根据折射定律n′＝，临界角公式sin C′＝，根据几何关系有C′＋r′＝90°，则光导纤维的折射率最小值为n′＝<2，故若光导纤维的折射率为2，则无论入射角α为多少，单色光都不会从MN或QP射出，故D正确。故选D。]
9．如图所示，由某种透明介质制成的长直细圆柱体置于真空中。某种单色光在介质中传输，经过多次全反射后从右端射出。若以全反射临界角传输的光线刚好从右端以张角2θ出射，则此介质的折射率为(　　)
A． 　 B．
C． 　 D．
D　[设介质中发生全反射的临界角为α，则sinα＝，经过多次全反射后从右端射出，入射角和折射角满足n＝，联立解得n＝，故A、B、C错误，D正确。]
10．如图甲所示为一种检测油深度的油量计，油量计竖直固定在油桶内，当入射光竖直向下照射时，通过观察油桶上方的矩形窗口亮暗两个区域可确定油量。图乙是油量计结构图，它是一块锯齿形的透明塑料(折射率比油小)，锯齿形的底部是一个等腰直角三角形，最右边的锯齿刚接触到油桶的底部，则下列说法正确的是(　　)
A．透明塑料的折射率应小于
B．塑料锯齿和油的界面处发生全反射形成暗区
C．油量增加时，亮区范围变大
D．对于透明塑料和油来说，油是光密介质
D　[
如图所示，光由上面竖直向下射入透明塑料中，在直角部分发生全反射时上面看起来才会明亮，光从透明塑料射向空气时，发生全反射的条件是折射率n>＝，即透明塑料的折射率应大于，故A错误；光从塑料锯齿和油的界面处发生折射，光线射向油中，在矩形窗口形成暗区，故B错误；油量增加时，浸入油中的塑料锯齿增多，则全反射光线减少，则亮区范围变小，故C错误；由题意知透明塑料的折射率小于油的折射率，故对于透明塑料和油来说，油是光密介质，故D正确。]
11．现在高速公路上的标志牌常贴有“回归反光膜”，它采用高折射率的微小玻璃球制成，并在后半表面镀铝膜，如图1所示。一光线沿平行于玻璃球水平直径AB方向射入玻璃球，发生折射后到达B处发生反射，再经折射后平行入射方向射出，光路及角度如图2所示，O为球心。已知光在空气中的传播速度约等于光在真空中的传播速度3×108 m/s。(结果保留3位有效数字)
(1)求玻璃球的折射率n；
(2)求光在玻璃球中的传播速度v；
(3)如果没有铝膜，通过分析说明该光线能否在B处发生全反射。
[解析]　(1)根据折射定律和题图2可得，玻璃球的折射率为n＝＝≈1.73。
(2)光在玻璃球中的传播速度为
v＝≈1.73×108 m/s。
(3)发生全反射的临界角满足sin C＝＝
根据几何关系可得光线在B处的入射角为30°，由于sin 30°＝<
可知如果没有铝膜，该光线在B处不会发生全反射。
[答案]　(1)1.73　 (2)1.73×108 m/s　(3)见解析
12．如图所示，一个半径为r＝10 cm的圆木板静止在水面上，在圆木板圆心O的正下方h＝50 cm处有一点光源S，从t＝0时开始，光源正以加速度a＝0.2 m/s2由静止向上运动，已知水的折射率n＝，真空中光速c＝3×108 m/s。计算结果均保留2位有效数字。求：
(1)光在该介质中传播的速度；
(2)t＝0时，水面上可以观察到点光源发出的光射出水面的面积；
(3)经过多长时间，水面上方恰好观察不到点光源S发出的光。
[解析]　(1)由n＝，解得光在该介质中传播的速度为v＝＝ m/s≈2.1×108 m/s。
(2)根据光的全反射条件可得sin C＝，解得临界角C＝45°
设射出水面的光线的外圆半径为R，则由几何知识可得R＝h
水面上方可观察到点光源发出的光射出水面的面积为S＝πR2－πr2
解得t＝0时，水面上可以观察到点光源发出的光射出水面的面积S≈0.75 m2。
(3)设当点光源在O点下方离O点距离为d时，水面上方恰好观察不到点光源发出的光，根据光的全反射条件可得r＝d tan C
设运动所需要的时间为t，根据运动学知识可得h－d＝at2
联立解得t＝2.0 s。
[答案]　(1)2.1×108 m/s　(2)0.75 m2　(3)2.0 s
21世纪教育网(www.21cnjy.com)2．全反射
[学习目标]　1．了解光的全反射，知道光疏介质、光密介质、临界角等概念。2．了解光导纤维的原理及应用。3．理解全反射的条件，能利用全反射规律解释相关问题。4．观察全反射现象，经历探究全反射规律的过程。5．借助全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用，培养学生兴趣。
　全反射
【链接教材】　如人教版P90图4.2-1所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。
问题1　比较图甲、乙，逐渐增大入射角，反射角(光线)和折射角(光线)有什么变化？
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问题2　观察图丙，有什么特点？
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【知识梳理】　
1．光疏介质和光密介质：对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的称为____介质，折射率较大的称为____介质。光疏介质与光密介质是____的。
2．全反射：当光从____介质射入____介质时，同时发生折射和反射，当入射角增大到某一角度，使折射角达到____时，______完全消失，只剩下______。这种现象叫作全反射，这时的入射角叫作______。
3．全反射的发生条件
(1)光从____介质射入____介质。
(2)入射角__________临界角。
4．临界角C与折射率n的关系：光从介质射入空气(真空)时，sin C＝。
提醒：介质的折射率越大，光线发生全反射的临界角越小。
【思考讨论】
问题1　如表所示，分别列出了四种物质的折射率、密度值，据此思考以下问题：
介质 水 酒精 玻璃 金刚石
折射率n 1.33 1.36 1.5～1.8 2.42
密度/(×103 kg·m-3) 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52
(1)“两种介质相比较，密度大的介质一定是光密介质”，这种说法正确吗？试举例说明。
(2)光从哪种介质射入空气更容易发生全反射？
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问题2　如图所示，光由光密介质进入光疏介质时，如果入射角不断增大，哪个角先达到90°？使折射角增大到90°时，会出现什么现象？
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【知识归纳】　
1．全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用。
2．从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大，同时折射光强度减弱，能量减小，反射光强度增强，能量增大，当入射角达到临界角时，折射光强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。
3．含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质，由于介质对不同色光的折射率不同，各种色光的偏折程度不同。
各种色光的比较
颜色 红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫
频率f 低→高
同一介质中的折射率 小→大
同一介质中速度 大→小
波长 大→小
临界角 大→小
通过棱镜的偏折角 小→大
注意：各种色光在真空中速度一样。
【典例1】　(全反射现象的理解)如图所示，一束红光以30°入射角射向半圆玻璃砖的平直边，在玻璃砖与空气的分界面上发生了反射和折射。若保持半圆玻璃砖不动，入射光线与法线的夹角从30°缓慢增大到90°的过程中(　　)
A．反射角变小　　　 B．反射光的亮度不变
C．折射光的亮度不变 　 D．折射光会消失
[听课记录]　_________________________________________________________
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【典例2】　(全反射的计算)(2024·全国甲卷)一玻璃柱的折射率n＝，其横截面为四分之一圆，圆的半径为R，如图所示。截面所在平面内，一束与AB边平行的光线从圆弧入射。入射光线与AB边的距离由小变大，距离为h时，光线进入柱体后射到BC边恰好发生全反射。求此时h与R的比值。
[听课记录]　_________________________________________________________
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　解决全反射问题的基本思路
(1)确定光是由光疏介质进入光密介质还是由光密介质进入光疏介质。
(2)若由光密介质进入空气，则根据sin C＝确定临界角，看是否发生全反射。
(3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。
(4)运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、动态分析和定量计算。
　全反射棱镜和光导纤维
【链接教材】　人教版教材P92图4.2-5为双筒望远镜，其核心部件是全反射棱镜；P93图4.2-9为医用内窥镜，其重要部件是光导纤维做成的传像束。
问题1　全反射棱镜应用了光的全反射原理，其构造有什么特点？
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问题2　光导纤维应用了什么原理？其构造有什么特点？
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【知识梳理】　
1．全反射棱镜
(1)形状：截面为________三角形的棱镜。
(2)全反射棱镜的特点：当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生______，与平面镜相比，它的反射率很高。
2．光导纤维
(1)导光原理：利用了光的______。
(2)构造：由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的__，光传播时在内芯与外套的界面上发生______。
(3)光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。
(4)光纤通信的优点是传输容量__、衰减__、抗干扰性及保密性强等。
【思考讨论】　自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。如图为尾灯的光路原理。
问题1　自行车的尾灯利用了什么原理？
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问题2　光在哪个面发生了全反射？其光路有什么特点？
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【知识归纳】　
1．光通过全反射棱镜时的几种入射方式
方式一 方式二 方式三
光路图
入射面 AB AC AB
全反射面 AC AB、BC AC
光线方向改变角度 90° 180° 0°(发生侧移)
2．光导纤维内芯的折射率
设光导纤维内芯的折射率为n，当入射光线的入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示。
则有sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。由图可知：当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中的光线的角θ减小。当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有sin 90°＝，解得n＝。故当光导纤维折射率为时，就可以使以任意角度入射的光都能发生全反射。
【典例3】　(全反射棱镜)空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示，方框内有两个折射率为n＝1.5的全反射棱镜。下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满足题意的是(　　)
A　　　　B　　　　C　　　　D
[听课记录]　_________________________________________________________
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【典例4】　(光导纤维)如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率n＝的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出，真空中光的传播速度c＝3.0×108 m/s，求：(结果保留2位有效数字)
(1)该激光在光导纤维中的速度v；
(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间。
[听课记录]　_________________________________________________________
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　求解光导纤维问题的注意点
(1)全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于或等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。
(2)传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值。在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，传播时间最长。
3．(不同频率光的全反射)在北方寒冷的冬天，有时会出现“多个太阳”的“幻日”奇观，这是空气中的水蒸气在极冷的大气里凝结成了小冰晶，太阳光线通过冰晶发生折射的缘故。如图所示为太阳光照射到六角形冰晶上折射的光路图，a、b是太阳光中的两种单色光，由此可以判断，冰晶对单色光a的折射率________(选填“大于”或“小于”)冰晶对单色光b的折射率，单色光a在冰晶中的传播速度比单色光b在冰晶中的传播速度________(选填“大”或“小”)。如果让太阳光从水中射向空气，逐渐增大入射角，则a、b两种单色光中，单色光________(选填“a”或“b”)更容易发生全反射。
[听课记录]　_________________________________________________________
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1．某种介质的折射率n＝，一束单色光从该介质射向空气。Ⅰ为空气，Ⅱ为介质，入射角是60°，则下列光路图正确的是(　　)
A　　　　　　　　B
C　　　　　　　　D
2．(源自鲁科版教材)某科技馆内有一个半径为R的半圆柱形透明体，其俯视图如图所示。为估测该透明体材料的折射率，某同学进行了如下实验：用激光笔从右侧沿垂直于直径AB方向朝透明体射入，保持入射方向不变，入射点由圆心O处缓慢向A处移动，观察到从圆弧面上射出的光逐渐减弱。当入射点到达C处时，恰好看不到光从圆弧面上D处射出，测得OC＝0.6R。由此，可求出透明体材料的折射率为(　　)
A．　　　B．　　　C．　　　D．
3．如图所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层用折射率比玻璃小的介质包覆。若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为θ，则下列有关此光线传播方式的叙述正确的是(　　)
A．不论θ为何值，光线都不会发生全反射
B．不论θ为何值，光线都会发生全反射
C．θ够小时，光线才会发生全反射
D．θ够大时，光线才会发生全反射
4．瓦斯是无色、无味、透明的气体，折射率比空气大。如图所示是煤矿安保系统中常用的一种逻辑判断元件，这种元件的“核心构件”是两个完全相同的、截面为等腰直角三角形的棱镜，两个棱镜被平行拉开一小段距离，形成的通道与矿道大气相通。棱镜对红光的折射率为 1.5, 一束红光从棱镜1的左侧垂直射入，下列说法正确的是(　　)
A．正常情况下这束红光能通过棱镜2射出
B．将入射光改成绿光能提高瓦斯检测的灵敏度
C．只要矿道空气中存在瓦斯，这束红光便不能从棱镜2射出
D．只有矿道空气中瓦斯达到危险浓度时，这束红光才能从棱镜2射出
回归本节知识，完成以下问题：
1．发生全反射的条件是什么？
2．密度大的介质一定是光密介质吗？
3．光的全反射有哪些常见应用？
光纤通信发展新趋势——全光网络
在光纤光缆中实现超高速、超大容量和超长距离的传输是光纤通信技术所不懈追求的，而实现全光网络覆盖是光纤通信的最终目标。
所谓全光网络，是指网络传输与网络交换过程全部以光信号完成，只在进出网络时才进行光电转换。在传输过程中无需对电信号进行处理，因此可采用SDH、PDH和ATM等各种传输方式，有效地提高网络利用率。全光网络将是光纤通信技术发展的终极目标和理想阶段，未来的超高速通信网络将由全光网络覆盖。现有的光纤网络仅仅实现了网络节点之间的全光通信，而网络节点部分仍为电器件，电器件自身的性能成了通信系统骨干网总容量提高的一大瓶颈。全光网络中全部环节的电节点都由光节点替换，节点之间的通信也实现了全光化，信息的传输与交换始终以光信号形式完成，在对数据信息进行计算与处理的过程
中不再以“比特”为基本单位，取而代之的是“波长”。因此，全光网络将是今后光纤通信技术研究中一个非常重要的课题，也是一个具有颠覆性的课题。目前，全光网络还处在发展初期、理论研究阶段，但已显现出良好的发展势头与明显的技术优势。从技术发展趋势来看，形成一个以光交换技术结合WDM技术为核心的光通信网络层，通过消除光电转换瓶颈从而建立全光网络已成为光纤通信发展的必然趋势，更是未来通信系统传输网络的核心。
1．光纤通信的原理是什么？
2．光纤通信的优点有哪些？
21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共82张PPT)
第三章 机械波
2．全反射
[学习目标]　1．了解光的全反射，知道光疏介质、光密介质、临界角等概念。2．了解光导纤维的原理及应用。3．理解全反射的条件，能利用全反射规律解释相关问题。4．观察全反射现象，经历探究全反射规律的过程。5．借助全反射棱镜和光导纤维在生产、生活中的应用，培养学生兴趣。
[教用·问题初探]——通过让学生回答问题来了解预习教材的情况
问题1　水中的气泡为什么特别明亮？怎样才容易说清楚这个问题？
问题2　如果是玻璃子弹放在水中，子弹会显得特别明亮吗？
问题3　海面上空常常出现奇特的“海市蜃楼”光学现象，“海市蜃楼”涉及光的哪种原理？
探究重构·关键能力达成
【链接教材】　如人教版P90图4.2-1所示，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。
知识点一　全反射
问题1　比较图甲、乙，逐渐增大入射角，反射角(光线)和折射角(光线)有什么变化？
提示：图甲→图乙：入射角逐渐增大，反射角、折射角都逐渐增大；反射光越来越强，折射光越来越弱。
问题2　观察图丙，有什么特点？
提示：图丙中折射光消失，反射光与入射光的亮度几乎相同，发生了全反射。
【知识梳理】　
1．光疏介质和光密介质：对于折射率不同的两种介质，我们把折射率较小的称为____介质，折射率较大的称为____介质。光疏介质与光密介质是____的。
2．全反射：当光从____介质射入____介质时，同时发生折射和反射，当入射角增大到某一角度，使折射角达到____时，______完全消失，只剩下______。这种现象叫作全反射，这时的入射角叫作______。
光疏
光密
相对
光密
光疏
90°
折射光
反射光
临界角
光密
光疏
大于或等于

【思考讨论】
问题1　如表所示，分别列出了四种物质的折射率、密度值，据此思考以下问题：
介质 水 酒精 玻璃 金刚石
折射率n 1.33 1.36 1.5～1.8 2.42
密度/(×103 kg·m-3) 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52
(1)“两种介质相比较，密度大的介质一定是光密介质”，这种说法正确吗？试举例说明。
(2)光从哪种介质射入空气更容易发生全反射？
提示：(1)不正确，光密介质和光疏介质具有相对性，折射率是反映介质光学性质的物理量，与介质的密度没有必然联系。如酒精的密度比水的密度小，但其折射率比水的折射率大，酒精相对于水是光密介质。
(2)介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射，故光从金刚石射入空气更容易发生全反射。
问题2　如图所示，光由光密介质进入光疏介质时，如果入射角不断增大，哪个角先达到90°？使折射角增大到90°时，会出现什么现象？
提示：θ2先达到90°；只有反射现象没有折射现象。
【知识归纳】　
1．全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用。
2．从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大，同时折射光强度减弱，能量减小，反射光强度增强，能量增大，当入射角达到临界角时，折射光强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。
3．含有多种颜色的光从一种介质进入另一种介质，由于介质对不同色光的折射率不同，各种色光的偏折程度不同。
各种色光的比较
颜色 红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫
频率f 低→高
同一介质中的折射率 小→大
同一介质中速度 大→小
波长 大→小
临界角 大→小
通过棱镜的偏折角 小→大
注意：各种色光在真空中速度一样。
【典例1】　(全反射现象的理解)如图所示，一束红光以30°入射角射向半圆玻璃砖的平直边，在玻璃砖与空气的分界面上发生了反射和折射。若保持半圆玻璃砖不动，入射光线与法线的夹角从30°缓慢增大到90°的过程中(　　)
A．反射角变小　　　
B．反射光的亮度不变
C．折射光的亮度不变 　
D．折射光会消失
√
D　[入射光线与法线的夹角从30°缓慢增大到90°的过程中，反射角变大，反射光的亮度增大，折射光的亮度减小，当入射角到达临界角时，全部光线返回原介质，即发生全反射，此时折射光消失，反射光亮度最大。故选项A、B、C错误，D正确。故选D。]
√
【教用·备选例题】　(源自教科版教材)(全反射现象的应用)在平静的水面下1 m处有一点光源Q，求这个点光源发出的光能从多大面积的水面上射出来。(水的折射率为1.33)
[解析]　如图所示，O为点光源正上方水面上一点，P为光以临界角入射到水面上的一点，以R＝OP为半径的圆的面积即为水面透光的面积。
[答案]　4.08 m2
【链接教材】　人教版教材P92图4.2-5为双筒望远镜，其核心部件是全反射棱镜；P93图4.2-9为医用内窥镜，其重要部件是光导纤维做成的传像束。
知识点二　全反射棱镜和光导纤维
问题1　全反射棱镜应用了光的全反射原理，其构造有什么特点？
提示：全反射棱镜的截面是等腰直角三角形。
问题2　光导纤维应用了什么原理？其构造有什么特点？
提示：光导纤维应用了光的全反射原理，其构造是非常细的特制玻璃丝，它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大。
【知识梳理】　
1．全反射棱镜
(1)形状：截面为________三角形的棱镜。
(2)全反射棱镜的特点：当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生______，与平面镜相比，它的反射率很高。
等腰直角
全反射
2．光导纤维
(1)导光原理：利用了光的______。
(2)构造：由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的__，光传播时在内芯与外套的界面上发生______。
(3)光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。
(4)光纤通信的优点是传输容量__、衰减__、抗干扰性及保密性强等。
全反射
大
全反射
大
小
【思考讨论】　自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车。如图为尾灯的光路原理。
问题1　自行车的尾灯利用了什么原理？
提示：利用了光的全反射原理。
问题2　光在哪个面发生了全反射？其光路有什么特点？
提示：光在尾灯的右侧两个直角边上连续发生了两次全反射，使入射光线方向改变了180°。
【知识归纳】　
1．光通过全反射棱镜时的几种入射方式
方式一 方式二 方式三
光路图


入射面 AB AC AB
全反射面 AC AB、BC AC
光线方向改变角度 90° 180° 0°(发生侧移)
2．光导纤维内芯的折射率
设光导纤维内芯的折射率为n，当入射光线的入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示。
【典例3】　(全反射棱镜)空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图所示，方框内有两个折射率为n＝1.5的全反射棱镜。下列选项中给出了两个棱镜的四种放置方式的示意图，其中能满足题意的是(　　)
A　　　 　B　　　 　C　　 　　D
√
B　[四个选项中棱镜产生的光路效果如图所示，由光路图知，选项B满足题意。]
A　　　　　　B
C　　　　　　D
[答案]　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10-8 s
规律方法　求解光导纤维问题的注意点
(1)全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于或等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。
(2)传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值。在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，传播时间最长。
【教用·备选例题】
1．(光纤通信)如图所示为某种新型光导纤维材料的一小段，材料呈圆柱状，其横截面为矩形MNPQ，其中MQ为直径，一束单色光在纸面内以入射角α从空气射向圆心O。

(1)若α＝45°时，单色光刚好不从MN射出，求光导纤维的折射率；
(2)若无论入射角α为多少，单色光都不从MN或QP射出，求光导纤维的折射率的最小值。
3．(不同频率光的全反射)在北方寒冷的冬天，有时会出现“多个太阳”的“幻日”奇观，这是空气中的水蒸气在极冷的大气里凝结成了小冰晶，太阳光线通过冰晶发生折射的缘故。如图所示为太阳光照射到六角形冰晶上折射的光路图，a、b是太阳光中的两种单色光，由此可以判断，冰晶对单色光a的折射率________(选填“大于”或“小于”)冰晶对单色光b的折射率，单色光a在冰晶中的传播速度比单色光b在冰晶中的传播速度________(选填“大”或“小”)。如果让太阳光从水中射向空气，逐渐增大入射角，
则a、b两种单色光中，单色光________(选填
“a”或“b”)更容易发生全反射。
小于　
大　
　b
应用迁移·随堂评估自测
√
A　　　　　　　B
C　　　　 　　D
√
3．如图所示的长直光纤，柱芯为玻璃，外层用折射率比玻璃小的介质包覆。若光线自光纤左端进入，与中心轴的夹角为θ，则下列有关此光线传播方式的叙述正确的是(　　)
A．不论θ为何值，光线都不会发生全反射
B．不论θ为何值，光线都会发生全反射
C．θ够小时，光线才会发生全反射
D．θ够大时，光线才会发生全反射
√
C　[发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质及入射角i要大于或等于临界角C，即光线传播到光纤侧面时的入射角i应满足i＝90°－θ≥C，θ≤90°－C，故选项C正确。]
4．瓦斯是无色、无味、透明的气体，折射率比空气大。如图所示是煤矿安保系统中常用的一种逻辑判断元件，这种元件的“核心构件”是两个完全相同的、截面为等腰直角三角形的棱镜，两个棱镜被平行拉开一小段距离，形成的通道与矿道大气相通。棱镜对红光的折射率为1.5, 一束红光从棱镜1的左侧垂直射入，下列说法正确的是(　　)
A．正常情况下这束红光能通过棱镜2射出
B．将入射光改成绿光能提高瓦斯检测的灵敏度
C．只要矿道空气中存在瓦斯，这束红光便不能从棱镜2射出
D．只有矿道空气中瓦斯达到危险浓度时，这束红光才能从棱镜2射出
√
回归本节知识，完成以下问题：
1．发生全反射的条件是什么？
提示：光由光密介质进入光疏介质，入射角大于或等于临界角。
2．密度大的介质一定是光密介质吗？
提示：不一定。
3．光的全反射有哪些常见应用？
提示：全反射棱镜、光导纤维、内窥镜。
光纤通信发展新趋势——全光网络
在光纤光缆中实现超高速、超大容量和超长距离的传输是光纤通信技术所不懈追求的，而实现全光网络覆盖是光纤通信的最终目标。
阅读材料·拓展物理视野
所谓全光网络，是指网络传输与网络交换过程全部以光信号完成，只在进出网络时才进行光电转换。在传输过程中无需对电信号进行处理，因此可采用SDH、PDH和ATM等各种传输方式，有效地提高网络利用率。全光网络将是光纤通信技术发展的终极目标和理想阶段，未来的超高速通信网络将由全光网络覆盖。现有的光纤网络仅仅实现了网络节点之间的全光通信，而网络节点部分仍为电器件，电器件自身的性能成了通信系统骨干网总容量提高的一大瓶颈。全光网络中全部环节的电节点都由光节点替换，节点之间的通信也实现了全光化，信息的传输与交换始终以光信号形式完成，在对数据信息进行计算与处理的过程
中不再以“比特”为基本单位，取而代之的是“波长”。因此，全光网络将是今后光纤通信技术研究中一个非常重要的课题，也是一个具有颠覆性的课题。目前，全光网络还处在发展初期、理论研究阶段，但已显现出良好的发展势头与明显的技术优势。从技术发展趋势来看，形成一个以光交换技术结合WDM技术为核心的光通信网络层，通过消除光电转换瓶颈从而建立全光网络已成为光纤通信发展的必然趋势，更是未来通信系统传输网络的核心。
问题
1．光纤通信的原理是什么？
提示：光的全反射。
2．光纤通信的优点有哪些？
提示：信息传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。
题号
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?题组一　全反射
1．(多选)下述现象哪些是光的全反射造成的(　　)
A．露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮
B．直棒斜插入水中时呈现弯折现象
C．口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，当他们喜出望外地奔向那潭池水时，池水却总是可望而不可及
D．在盛水的玻璃杯中放一空试管，用灯光照亮玻璃杯侧面，在水面上观察水中的试管，看到试管壁特别明亮
课时分层作业(十七)　全反射
√
√
ACD　[全反射是光线由光密介质传到光疏介质中，入射角大于或等于全反射的临界角所形成的。露水珠或喷泉的水珠，在阳光照耀下格外明亮，属于全反射现象，故A正确；直棒斜插入水中时呈现弯折现象，这是光的折射现象，故B错误；口渴的沙漠旅行者，往往会看到前方有一潭晶莹的池水，这是光的全反射造成的现象，故C正确；在盛水的玻璃杯中放一空试管，灯光照射时，看到试管壁特别明亮，这是光的全反射造成的，故D正确。故选ACD。]
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2．某种材料制成的半圆形透明砖平放在方格纸上，将激光束垂直于AC面射入，可以看到光束从圆弧面ABC出射，沿AC方向缓慢平移该砖，在如图所示位置时，出射光束恰好消失，该材料的折射率为(　　)
A．1.2 　
B．1.4
C．1.6 　
D．1.8
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6．一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。
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10．如图甲所示为一种检测油深度的油量计，油量计竖直固定在油桶内，当入射光竖直向下照射时，通过观察油桶上方的矩形窗口亮暗两个区域可确定油量。图乙是油量计结构图，它是一块锯齿形的透明塑料(折射率比油小)，锯齿形的底部是一个等腰直角三角形，最右边的锯齿刚接触到油桶的底部，则下列说法正确的是(　　)
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11．现在高速公路上的标志牌常贴有“回归反光膜”，它采用高折射率的微小玻璃球制成，并在后半表面镀铝膜，如图1所示。一光线沿平行于玻璃球水平直径AB方向射入玻璃球，发生折射后到达B处发生反射，再经折射后平行入射方向射出，光路及角度如图2所示，O为球心。已知光在空气中的传播速度约等于光在真空中的传播速度3×108 m/s。(结果保留3位有效数字)
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(1)求玻璃球的折射率n；
(2)求光在玻璃球中的传播速度v；
(3)如果没有铝膜，通过分析说明该光线能否在B处发生全反射。
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[答案]　(1)1.73　(2)1.73×108 m/s　(3)见解析
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[答案]　(1)2.1×108 m/s　(2)0.75 m2　(3)2.0 s

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