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第四章 光
4.2 全反射
1.知道光疏介质和光密介质，理解它们的相对性.
2.理解光的全反射，会利用全反射解释有关现象.
3.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应
的光路图.
4.了解全反射棱镜和光导纤维.
【学习目标】
导入新课
水中的气泡看上去特别明亮，这是为什么呢？
一、全反射
1.光疏介质和光密介质
(1)光疏介质：折射率较 (填“大”或“小”)的介质.
(2)光密介质：折射率较 (填“大”或“小”)的介质.
小
大
(3)光疏介质和光密介质的比较
光的传播速度 折射率
光疏介质 大 小
光密介质 小 大
(2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的.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.
(3)光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小.例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质.
2.全反射现象
(1)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， 光完全消失，只剩下
光的现象.
折射
反射
(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于　　时的入射角.用字母C表示，光从　　 射入　　　　　时，发生全反射的临界角C与介质的折射
率n的关系是sin C＝　.
(3)全反射发生的条件
①光从　　介质射入　　介质.
②入射角　　　　　　临界角.
90°
介质
空气(真空)
光密
光疏
等于或大于
(4)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.同时折射光线强度减弱，即折射光线的能量减小，反射光强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量.
3.不同色光的临界角
不同颜色的光由同一介质射向空气或真空时，频率越高的色光的临界角越小，越易发生全反射，说明在同一种介质中频率越高的色光折射率越大.
例1　某种介质对空气的折射率是 ，一束光从该介质射向空气，入射角是60°，则下列光路图中正确的是(图中Ⅰ为空气，Ⅱ为介质)
√
解析　由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sin C＝ ，得C＝45°＜θ＝60°，故在两介质的界面上会发生全反射，只有反射光线，没有折射光线，故选项D正确.
例2　一束光以45°的入射角从AB面射入如图所示的透明三棱镜中，棱镜折射率n＝ .试求进入AB面的折射角，并在图中画出该光束在棱镜中的光路.
答案　30°　光路图见解析
解析　设光由AB面上的O点射入，由折射定律得，
设光线射到AE面上的D点，由几何关系得OD∥BE，
由几何知识可知光线在AE面上的入射角为θ＝45°.
因为θ＝45°，故光线在AE面上发生全反射，由几何知识可知，光线将垂直BE面射出，其光路图如图所示.
二、全反射棱镜
如图所示，已知玻璃的折射率为1.5，图甲中当光线垂直BC面入射时，光线到达AC面的入射角是多少？能否发生全反射？图乙中当光线垂直AC面入射时，光线到达AB面的入射角是多少？能否发生全反射？
答案　45°　能发生全反射　45°　
能发生全反射
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，都会在其内部发生　　　，与平面镜相比，它的反射率很高.
等腰直角
全反射
3.全反射棱镜改变光路的几种情况
入射方式 项目 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)
例3　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n＝1.5的全反射玻璃棱镜.下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图.其中能产生图中效果的是
√
解析　四个选项的光路图如图所示：
可知B项正确.
三、光导纤维
1.构造及传播原理
(1)构造：光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有几微米到一百微米，如图所示，它是由内芯和外套两层组成的，内芯的折射率大于外套的折射率.
(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光信号，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像.
2.光导纤维的折射率：设光导纤维的折射率为n，当入射角为θ1时，进入光导纤维的光线传到侧面恰好发生全反射，由图可知：当θ1增大时，θ2增大，由光导纤维射向空气的光线的入射角θ减小，当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入光导纤维中的光线都能发生全反射，则有：sin C＝ ，
以上是光从光导纤维射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比 大些.
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.
大
小
例4　如图所示是两个城市间光缆中的一条光导纤维的一段，光缆总长为L，它的玻璃芯的折射率为n1，外层材料的折射率为n2.若光在空气中的传播速度近似为c，则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程，下列判断中正确的是
√
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SUITANGYANLIAN　 ZHUDIANLUOSHI
课堂练习
1.(全反射的理解)如图，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，能正确描述其光路的是
1
2
3
4
√
1
2
3
4
解析　光从玻璃砖射向空气时，如果入射角大于等于临界角，则发生全反射；如果入射角小于临界角，则在界面处既有反射光线，又有折射光线，且折射角大于入射角，选项A正确，选项C错误；
当光从空气射入玻璃砖时，在界面处既有反射光线，又有折射光线，且入射角大于折射角，选项B、D错误.
2.(全反射棱镜的应用)自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理，
它虽然本身不发光，但在夜间骑行时，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有自行车.尾灯由透明介质制成，其外形如图甲所示，下列说法正确的是
1
2
3
4
A.汽车灯光从左面射过来，在尾灯的左表面发
　生全反射
B.汽车灯光从左面射过来，在尾灯的右表面发
　生全反射
C.汽车灯光从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射
D.汽车灯光从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射
√
3.(光导纤维)目前，移动和电信公司都升级了200 M光纤入户，
网速更快，使用更方便.光纤信号传输利用了光的全反射和折射原理，如图所示，某种单色光在光纤中经过多次全反射后从右端射出.若该介质的折射率为，则关于α、β的大小，下列判断正确的是
1
2
3
4
A.α<60° 　　B.α<30° 　　 C.β>30° 　　 D.β<30°
√
1
2
3
4
4.(全反射的计算)为了表演“隐形的大头针”节目，某同学在半径为r的圆形薄软木片中心垂直插入一枚大头针，并将其放入盛有水的碗中，如图所示.已知水的折射率为 ，为了保证表演成功(在水面上看不到大头针)，大头针末端离水面的最大距离h为
1
2
3
4
√
1
2
3
4
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仓颉之初作书盖依类象形故谓之文其形声相益即谓之字文者物象之本字者言孳乳而浸多也著于竹帛谓之仓颉之初作书盖依类象形故谓之文其形声相益即谓之字文者物象之本字者言孳乳而
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