（部编本人教版）最新版高中物理 第四章 光的折射 3 光的全反射学案 教科版选修3-4

3 光的全反射

[学习目标] 1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念.2.理解全反射的条件，能计算有关问题和解释相关现象.3.了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中的应用.

一、全反射现象及条件 1.光密介质和光疏介质

(1)对于两种介质来说，光在其中传播速度较小的介质，即折射率较大的介质叫光密介质；光在其中传播速度较大的介质，即折射率较小的介质叫光疏介质. (2)光疏介质和光密介质是相对的. 2.全反射

(1)定义：光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象. (2)全反射的条件

①光需从光密介质射至光疏介质的界面上. ②入射角必须等于或大于临界角. (3)临界角

①定义：光从某种介质射向真空或空气时使折射角变为90°时的入射角，称作这种介质的临界角.

1

②临界角C与折射率n的关系：sinC＝. n二、全反射的应用——光导纤维

1.光纤的工作原理：由于有机玻璃的折射率大于空气的折射率，当光从有机玻璃棒的一端射入时，可以沿着有机玻璃棒的表面发生多次全反射，从另一端射出.

2.光导纤维的构造：由两种折射率不同的玻璃制成，分内、外两层，内层玻璃的折射率比外层玻璃的折射率大.当光从一端进入光纤时，将会在两层玻璃的界面上发生全反射. 3.光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输速率高. 4.应用：光纤通信；医学上的内窥镜. [即学即用]

1.判断下列说法的正误.

(1)入射角大于临界角就会发生全反射现象.( × ) (2)光密介质是指密度大的介质.( × )

1

(3)光在光导纤维中的传播速度小于光在真空中的光速c.( √ )

2.一束光从某介质进入真空，方向如图1所示，则该介质的折射率为________；逐渐增大入射角，光线将________(填“能”或“不能”)发生全反射；若使光发生全反射，应使光从________射入________，且入射角大于等于________.

图1

答案

2 能 介质 真空 45°

一、全反射

[导学探究] 当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确吗？为什么？

答案 不正确.要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质.而水相对玻璃是光疏介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射. [知识深化] 发生全反射的条件 (1)光从光密介质射至光疏介质. (2)入射角大于或等于临界角. 以上两个条件缺一不可.

例1 某种介质对空气的折射率是2，一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)( )

答案 D

12

解析 由题意知，光由光密介质射向光疏介质，由sinC＝＝，得C＝45°＜θ1＝60°，

n2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.

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

二、全反射的应用——光导纤维

[导学探究] 如图2所示是光导纤维的结构示意图，其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成.构成内芯和外套的两种介质，哪个折射率大？为什么？

图2

答案 内芯的折射率大.因为当内芯的折射率大于外套的折射率时，光在传播时能发生全反射，光线经过多次全反射后能从一端传到另一端.

例2 如图3所示，AB为光导纤维，A、B之间距离为s，使一光脉冲信号从光导纤维中间入射，射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射，由A点传输到B点所用时间为t，求光导纤维所用材料的折射率.(已知光在真空中的传播速度为c)

图3

答案

ct s解析 设光导纤维所用材料的折射率为n，则有 1

sin α＝sin C＝

ncn＝ vst＝

sin α

v＝svsin α

sn2

由以上三式解得t＝＝，

c1c·nns所以n＝ct. s

注意挖掘题目中隐含条件，“恰好”“刚好”暗含的条件是入射角等于临界角. 三、全反射的定量计算

3

解决全反射问题的思路

(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.

1

(2)若光由介质进入空气(真空)时，则根据sinC＝确定临界角，看是否发生全反射.

n(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，运算及变换进行动态分析或定量计算.

例3 一厚度为h的大平板玻璃水平放置，其下表面贴有一半径为r的圆形发光面.在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片，圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上.已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射)，求平板玻璃的折射率. 答案

1＋?hR－r?

2

解析 如图所示，从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线射到玻璃上表面A′点恰好发生全反射， 1则有sinC＝

n

又由几何关系：sinC＝其中L＝R－r

LL2＋h2

L2＋h2联立以上各式解得n＝＝L1＋?

hR－r?.

2

例4 如图4所示，折射率n＝2的透明介质的横截面由等腰直角三角形AOC和圆心为O、半径为R的四分之一圆弧BC组成，一束单色光从M点以α＝45°入射角由真空射入透明介质中，已知M点与AB之间距离为，光在真空中的传播速度为c，求：

2

R

图4

(1)这种透明介质对于真空的临界角C；

4

(2)通过计算，画出光在透明介质中传播的光路图；

(3)单色光在透明介质中的传播时间(有光折射时，不考虑反射). 6

?2＋?R2

答案 (1)45° (2)见解析图 (3) c1解析 (1)设全反射临界角为C，sinC＝，

n解得sinC＝

2

，C＝45°. 2

sinα1

(2)由折射定律得n＝，sinβ＝，β＝30°，

sinβ2由几何关系知，θ＝30°，γ＝45°.

因γ＝C，光在AC界面发生全反射，垂直AB射出介质，光路如图所示

(3)光在介质中的传播速度v＝＝cn2c 2

由几何关系知，光在介质中传播的距离d＝Rcosθ＋R

故光在介质中的传播时间t＝＝dv?2＋

6?R2

c.

1.(对全反射的理解)(多选)如图5所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条同一颜色、强度相同的光线，均由空气沿半圆半径方向射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置.下列说法正确的是( )

图5

A.假若三条光线中只有一条在O点发生了全反射，那一定是aO光线 B.假若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射 C.假若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射

D.假若光线aO恰能发生全反射，那么光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大

5

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