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1、2　全反射 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1．理解光的全反射，會(huì)利用全反射解釋有關(guān)現(xiàn)象． 2．理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射并能畫出相應(yīng)的光路圖．(重點(diǎn)) 3．了解全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維． 知識(shí)點(diǎn)一| 全反射 1.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì) 光疏介質(zhì) 光密介質(zhì) 定義 折射率較小的介質(zhì) 折射率較大的介質(zhì) 傳播速度 光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的傳播速度小 折射特點(diǎn) 光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角 光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角 2.全反射及發(fā)生條件 (1)全反射及臨界角的概念 ①全反射：光從光密介質(zhì)射入

2、光疏介質(zhì)時(shí)，若入射角增大到某一角度，折射光線就會(huì)消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象． ②臨界角：剛好發(fā)生全反射，即折射角等于90°時(shí)的入射角．用字母C表示． (2)全反射的條件 要發(fā)生全反射，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件： ①光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)． ②入射角等于或大于臨界角． (3)臨界角與折射率的關(guān)系 光由介質(zhì)射入空氣(或真空)時(shí)，sin_C＝(公式)． 1．密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì)． (×) 2．兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)是光密介質(zhì)． (√) 3．光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)具有絕對性． (×) 1．只有一種介質(zhì)能否確定它是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？ 【提示】　不能．光密介質(zhì)、

3、光疏介質(zhì)是對確定的兩種介質(zhì)相比較折射率而確定的，只有一種介質(zhì)是無法比較折射率的，從而無法確定它是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)． 2．為什么水中或玻璃中的氣泡看起來特別明亮？ 【提示】　水或玻璃中的氣泡是光疏介質(zhì)，光經(jīng)過水或玻璃照射氣泡時(shí)，一部分光會(huì)發(fā)生全反射，相對于其他物體而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由氣泡發(fā)出的，因此人眼感覺氣泡特別明亮． 1.對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對而言的，并沒有絕對的意義．例如：水晶(n＝1.55)對玻璃(n＝1.5)是光密介質(zhì)，而對金剛石(n＝2.42)來說，就是光疏介質(zhì)．同一種介質(zhì)到底是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)，不是絕對的．

4、 光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的，并不是它的密度大?。?，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介質(zhì)． 由v＝可知：光在光密介質(zhì)中傳播速度比在光疏介質(zhì)中要?。? 光在兩種介質(zhì)中傳播時(shí)，由折射定律可知： n1sin θ1＝n2sin θ2，n1v1＝n2v2， 由此可知：當(dāng)光從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；當(dāng)光從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角．光在光疏介質(zhì)中傳播的速度大于光在光密介質(zhì)中傳播的速度． 2．對全反射的理解 (1)全反射是光的折射的特殊現(xiàn)象，全反射現(xiàn)象還可以從能量變化角度加以理解．當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，在入射角逐漸增大的過程中，反射

5、光的能量逐漸增強(qiáng)，折射光的能量逐漸減弱，當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，折射光的能量已經(jīng)減弱為零，發(fā)生了全反射． (2)全反射遵循的規(guī)律：光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時(shí)，仍然遵守反射定律，有關(guān)計(jì)算仍依據(jù)反射定律進(jìn)行． 1.下列選項(xiàng)所示光線由空氣透過半圓形玻璃磚，再射入空氣的光路圖中，正確的是(玻璃的折射率為1.5)(　　) 解析： 答案：BDE 2．已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是(　　) A．從玻璃射入水晶　 B．從水射入二硫化碳 C．從玻璃射入水中 D．從水晶射入水 E．

6、從玻璃射入二硫化碳 解析：發(fā)生全反射的條件之一是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)折射率較大，故A、C、D正確． 答案：ACD 3．為了測定某種材料制成的長方體的折射率，用一束光線從AB面以60°入射角射入長方體時(shí)光線剛好不能從BC面射出，如圖所示，該材料的折射率是多少？ 解析：如題圖所示，根據(jù)折射定律： n＝ ① 由題意可知sin C＝ ② 而C＝90°－r ③ 由②③得cos r＝ ④ 而cos r＝， 代入④得＝ ⑤ 聯(lián)立①和⑤解得n＝. 答案： 解答全反射類問題的技巧 (1)光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)． (2)入射角大于或等于臨界角．

7、 (3)利用好光路圖中的臨界光線，準(zhǔn)確地判斷出恰好發(fā)生全反射的光路圖是解題的關(guān)鍵，且在作光路圖時(shí)盡量與實(shí)際相符，這樣更有利于問題的分析． 知識(shí)點(diǎn)二| 全反射的應(yīng)用 1．全反射棱鏡：截面為等腰直角三角形的棱鏡，利用全反射改變光的方向． 2．光導(dǎo)纖維：由折射率較大的內(nèi)芯和折射率較小的外套組成，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射． 1．光從密度大的介質(zhì)射入密度小的介質(zhì)時(shí)一定能發(fā)生全反射． (×) 2．全反射棱鏡和平面鏡都是根據(jù)全反射原理． (×) 3．光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)是容量大． (√) 微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂，光纖為什么

8、要由兩層介質(zhì)構(gòu)成？ 【提示】　光纖的工作原理是全反射，要由兩種介質(zhì)配合才能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象． 1．對全反射棱鏡光學(xué)特性的兩點(diǎn)說明 (1)當(dāng)光垂直于它的一個(gè)界面射入后，都會(huì)在其內(nèi)部發(fā)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高． (2)反射時(shí)失真小，兩種反射情況如圖甲、乙所示． 2．光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 實(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，由內(nèi)芯和外套兩層組成．內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射，使反射光的能量最強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送．因此，光信號(hào)能攜帶著聲音、圖象以及各種數(shù)字信號(hào)沿著光纖傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方，實(shí)現(xiàn)光纖通信，其主

9、要優(yōu)點(diǎn)是容量大，衰減小，抗干擾性強(qiáng)等． 醫(yī)學(xué)上用光導(dǎo)纖維制成內(nèi)窺鏡，用來檢查人體的胃、腸等器官內(nèi)部，如圖所示． 4．空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖所示，方框內(nèi)有兩個(gè)折射率為n＝1.5的全反射玻璃棱鏡．在框內(nèi)畫出兩個(gè)棱鏡的放置方式并作出光路圖． 答案： 5．華裔科學(xué)家高錕被譽(yù)為“光纖通訊之父”．光纖通訊中信號(hào)傳播的主要載體是光導(dǎo)纖維，它的結(jié)構(gòu)如圖所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播．內(nèi)芯的折射率比外套的________，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與________的界面上發(fā)生全反射． 解析：光纖內(nèi)芯比外套折射率大，在內(nèi)芯與外套

10、的界面上發(fā)生全反射． 答案：大　外套 6．如圖所示，一根長為L的直光導(dǎo)纖維，它的折射率為n.光從它的一個(gè)端面射入，從另一端面射出所需的最長時(shí)間為多少？(設(shè)光在真空中的光速為c) 解析：該題考查光導(dǎo)纖維的全反射及光速問題．由題中的已知條件可知，要使光線從光導(dǎo)纖維的一端射入，然后從它的另一端全部射出，必須使光線在光導(dǎo)纖維中發(fā)生全反射現(xiàn)象．要使光線在光導(dǎo)纖維中經(jīng)歷的時(shí)間最長，就必須使光線的路徑最長，即光對光導(dǎo)纖維的入射角最小，光導(dǎo)纖維的臨界角為C＝arcsin.光在光導(dǎo)纖維中傳播的路程為d＝＝nL，光在光導(dǎo)纖維中傳播的速度為v＝，所需的最長時(shí)間為tmax＝＝. 答案： 對光導(dǎo)纖維折射率的要求 設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射光線的入射角為θ1時(shí)，進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)恰好發(fā)生全發(fā)射，如圖所示，則有：sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得： sin θ1＝. 由圖可知：(1)當(dāng)θ1增大時(shí)，θ2增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角θ減小．(2)當(dāng)θ1＝90°時(shí)，若θ＝C，則所有進(jìn)入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即有n＝，以上是光從纖維射向真空時(shí)得到的折射率．(3)由于光導(dǎo)纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光導(dǎo)纖維折射率要比大些． - 7 -