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(共58张PPT)
2　全反射
素养 目标定位
目标素养
1.知道什么是光疏介质和光密介质,理解它们具有相对性
2.理解全反射现象,掌握临界角的概念和全反射的条件,形成正确的物理观念
3.利用全反射条件,应用临界角公式解答相关问题,培养科学思维能力
4.了解光导纤维和全反射棱镜的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用,培养分析解决实际问题的能力
知识概览
课前 基础认知
一、全反射
1.光疏介质和光密介质。
(1)概念: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。光疏介质和光密介质是 相对 的。
(2)光在两种介质界面的折射特点。
①光由光疏介质射入光密介质时,折射角 小于 入射角。
②光由光密介质射入光疏介质时,折射角 大于 入射角。
2.定义: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.发生全反射的条件。
(1)光由　光密　介质射入　光疏　介质。
(2)入射角　大于　或　等于　临界角。
4.临界角与折射率的关系。
(1)定量关系:光由某种介质射入空气(或真空)时,sin C=___。
(2)定性关系:介质的折射率越大,发生全反射的临界角越小,越容易发生全反射。
微思考 为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮
提示:水或玻璃中的气泡是光疏介质,光经过水或玻璃照射气泡时,一部分光会发生全反射,相对于其他物体而言,有更多的光反射到人眼中,因此人眼感觉气泡特别明亮。
二、全反射棱镜
1.构造:截面为 等腰直角三角形 的玻璃棱镜为全反射棱镜。
2.光学特性。
(1)当光垂直于截面的直角边射入棱镜时,光在截面的斜边上发生 全反射 ,光射出棱镜时,传播方向改变了 90° 。
(2)当光垂直于截面的斜边射入棱镜时,光在两个直角边上各发生一次 全反射 ,使光的传播方向改变了 180° 。
3.主要优点。
(1)光垂直于它的一个界面射入后,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,反射时失真小。
微判断11.全反射棱镜可以使光线传播的方向改变90°。
(　　)
2.用任意一种材料制作的等腰直角三棱镜都是全反射棱镜。
(　　)
3.全反射棱镜和平面镜相比,反射时能量损失要小。(　　)
√
×
√
三、光导纤维
1.原理:利用了光的 全反射 。
2.构造:实用光导纤维的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,内芯的折射率比外套的 大 。光由一端进入,在内芯和外套的界面上经多次 全反射 ,从另一端射出。
3.主要优点:传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等。
微判断2 1.光导纤维内芯的折射率比外套的大。(　　)
2.光在光导纤维中传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。(　　)
3.波长越短的光在光纤中传播的速度越大。(　　)
√
√
×
课堂 重难突破
一 全反射的理解与应用
问题探究
如图所示,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。
探究1:观察全反射现象时,光是从光密介质射入光疏介质,还是从光疏介质射入光密介质 入射角和折射角间的大小关系如何
提示:从光密介质射入光疏介质。入射角小于折射角。
探究2:逐渐增大入射角,观察反射光和折射光有什么变化。
提示:逐渐增大入射角,折射光离法线会越来越远,而且亮度越来越弱,反射光离法线越来越远,亮度越来越强。当入射角增大到某一角度时,折射角达到90°,此时折射光完全消失,只剩下反射光。
探究3: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。此时的入射角称为这种介质的临界角。思考临界角与什么因素有关。
提示:折射率。
归纳总结
1.对光疏介质和光密介质的理解。
(1)光疏介质和光密介质图示分析。
(2)光疏介质与光密介质的比较。
比较项 光疏介质 光密介质
折射率 小 大
光的传
播速度 大 小
相对性 若n甲>n乙,则甲是光密介质,乙是光疏介质;
若n甲折射角和入射角的关系 光从光疏介质射入光密介质时,折射角小于入射角;光从光密介质射入光疏介质时,折射角大于入射角
(3)与介质密度无关。
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,酒精的密度比水的小,但酒精和水相比酒精是光密介质。
2.全反射现象。
(1)全反射的条件。
①光由光密介质射向光疏介质。
②入射角大于或等于临界角。
(2)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。
(3)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。同时折射光线减弱,即折射光线能量减小,反射光线增强,能量增加,当入射角达到临界角时,折射光线完全消失,反射光的能量等于入射光的能量。
(4)临界角。
①定义:刚好发生全反射(即折射角为90°)时的入射角为全反射的临界角,用C表示。
②表达式:光由折射率为n的介质射向真空或空气时,若刚好发生全反射,则折射角恰好等于90°,
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,频率越高的光的临界角越小,越容易发生全反射。
二 全反射棱镜　光导纤维
问题探究
探究1:如图所示,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。那么自行车的尾灯利用了什么原理
提示:利用了全反射的原理。
探究2:如图所示,将塑料瓶侧面开一个小孔,瓶中灌入清水,水就从小孔流出。
(1)用激光水平射向塑料瓶小孔,在孔下侧水流到的地方,可以观察到光斑,这个现象的成因是什么
提示:光在水流与空气的接触面发生多次全反射。
(2)细的光纤封装在塑料保护套中,光纤能够弯曲而不至于断裂,光纤为什么要由两层介质构成
提示:光纤的工作原理是全反射,要由两种介质配合才能发生全反射现象。
归纳总结
1.全反射棱镜。
横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜。它在光学仪器里,常用来代替平面镜,改变光的传播方向。光通过全反射棱镜时的几种方式:
比较项 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。
(1)光导纤维:用光密介质制成的用来传导光信号的纤维状的装置。实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝,直径只有几微米到一百微米,一定程度上可以弯折,由内芯和外套组成。
(2)光纤原理:“光纤通信”利用了全反射原理。
如图所示,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,使反射光的能量最强,实现远距离传送。
(3)光纤的应用:载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入,就可以传到千里以外的另一端,实现光纤通信。
典型例题
【例3】直角棱镜的折射率n=1.5,其横截面如图所示,图中∠C=90°,∠A=30°。截面内一细束与BC边平行的光线,从棱镜AB边上的D点射入,经折射后射到BC边上。
(1)光线在BC边上是否会发生全反射 说明理由。
(2)不考虑多次反射,求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值。
答案:(1)会发生,理由见解析　(2)
解析:(1)如图所示,设光线在D点的入射角为i,折射角为r。折射光线射到BC边上的E点。设光线在E点的入射角为θ,由几何关系,有θ=90°-(30°-r)>60°①
根据题给数据得sin θ>sin 60°> ②
即θ大于全反射临界角,因此光线在E点发生全反射。
(2)设光线在AC边上的F点射出棱镜,光线的入射角为i',折射角为r',由几何关系、反射定律及折射定律,有
i=30° ③
i'=90°-θ ④
sin i=nsin r ⑤
nsin i'=sin r' ⑥
联立①③④⑤⑥式并代入题给数据,得
由几何关系,r'即AC边射出的光线与最初的入射光线的夹角。
规律总结
解决全反射问题的关键点
1.准确熟练地作好光路图。 2.抓住特殊光线进行分析。求光线照射的范围时,关键是找出边界光线。如果发生全反射,刚能发生全反射时的临界光线就是一条边界光线。
典例剖析
【例4】如图为一光导纤维(可简化为一长玻璃丝)的示意图,玻璃丝长为l,折射率为n,AB代表端面。已知光在真空中的传播速度为c。
(1)为使光线能从玻璃丝的AB端面传播到另一端面,求光线在端面AB上的入射角应满足的条件。
(2)求光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间。
解析:(1)设光线在端面AB上C点(如图)的入射角为i,折射角为r,由折射定律有sin i=nsin r ①
设该光线射向玻璃丝内壁D点的入射角为α,为了使该光线可在此光导纤维中传播,应有α≥θ ②
式中θ是光线在玻璃丝内发生全反射时的临界角,
三 光的折射与全反射综合问题
问题探究
如图甲所示为“水下世界国际摄影大赛”的获奖作品,摄影师在水下对水上的景物进行拍摄,获得了令人赞叹的美学效果。忽略镜头尺寸的影响,假设摄影师由水下竖直向上拍摄,光的传播路径如图乙所示。
归纳总结
求解光的折射和全反射问题的思路
1.确定研究的光线:该光线一般是入射光线,还有可能是反射光线或折射光线;若研究的光线不明确,根据题意分析、寻找,如临界光线、边界光线等。
2.画光路图:找入射点,确认界面,并画出法线,根据反射定律、折射定律作出光路图。
3.具体求解:根据光学的基本规律,结合几何关系(三角函数、勾股定理、正弦定理等)分析或求解相关问题。
特别提醒
从光疏→光密:一定有反射、折射光线;从光密→光疏:如果入射角大于或等于临界角,一定发生全反射。
(1)若α=45°,求光线从AB边射入三棱镜时折射角的正弦值。
(2)若光线从AB边折射后直接到达BC边,并在BC边刚好发生全反射,求此时的α值。
成 果 验 收 站
1.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.因为水的密度大于酒精的密度,所以水是光密介质
B.因为水的折射率小于酒精的折射率,所以水对酒精来说是光疏介质
C.同一束光,在光密介质中的传播速度较小
D.光从光密介质射入光疏介质有可能不发生全反射
答案:BCD
2.光导纤维的结构如图所示,其内芯和外套材料不同,光在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是(　　)
A.内芯的折射率比外套大,光传播时
在内芯与外套的界面发生全反射
B.内芯的折射率比外套小,光传播时在内芯与外套的界面发生全反射
C.内芯的折射率比外套小,光传播时在内芯与外套的界面发生折射
D.内芯的折射率与外套相同,外套的材料有韧性,可以起保护作用
答案:A
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的玻璃全反射棱镜。下列四种两棱镜的放置方式,能产生图示效果的是(　　)
答案:B
解析:四个选项产生光路效果如图所示。
则可知选项B正确。
4.如图所示,楔形玻璃的横截面POQ的顶角为30°,OP边上的点光源S到顶点O的距离为d,垂直于OP边的光线SN在OQ边的折射角为45°。不考虑多次反射,OQ边上有光线射出部分的长度为(　　)
答案:C
5.(2025·云南昆明市一中月考)一半径为R=6 cm的透明半球体如图所示,PQ为半球体的直径,O为半球体的球心。已知半球体的折射率为1.5,现有一束激光垂直半球的平面射入半球体,入射点从P点沿直径PQ方向缓慢向Q点移动。(不考虑光线在半球体内多次反射)
(1)当入射点移动至距离球心为3 cm位置时,
光线射出半球体的折射角的正弦值为多少
(2)当入射点移动至距离球心为多少时,才开始有光线从半球体下方射出
答案:(1)0.75 (2)4 cm

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