高中物理 第4章 光的折射与全反射 第2节 光的全反射 第3节 光导纤维及其应用知识导航素材 鲁科版选修3-4（通用） 9页

第2节 光的全反射 ‎ 第3节 光导纤维及其应用 思维激活 动手做下面的“水流导光”小实验:将饮料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出.用激光笔水平射向饮料瓶水孔出水处（图‎4-2-1‎），观察光的传播路径.你发现了什么奇特的现象？‎ 图‎4-2-1‎ 提示:观察到整个水流都亮了，激光束并没有沿直线穿出弯曲的水流射向空气，这是由于激光在水柱与空气界面上多次发生全反射的结果.光导纤维也正是根据这一原理制作的.学完了本节的内容后，你就能领悟其中的奥妙了.‎ 自主整理 一、全反射及其产生条件 ‎1.当光由____________介质入射到____________介质中时，折射角大于入射角，当角____________增大到一定程度时，____________光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质内，这种现象称为全反射.‎ ‎2.刚好发生全反射，即折射角变为____________时的____________角，叫全反射的临界角.‎ ‎3.发生全反射的条件是：（1）光由_________射入_________；（2）入射角_________临界角.‎ 二、对全反射现象的解释 ‎1.自然界中常见的全反射现象有：（1）海水的浪花呈现____________；（2）水中的气泡____________；（3）炎热夏天的柏油路面显得格外____________，等等.‎ ‎2.全反射棱镜的截面是____________三角形，当光垂直于直角边射向棱镜时，光的传播方向改变了____________角，当光垂直于斜边射向棱镜时，光的传播方向改变了____________角.‎ 三、光导纤维及其应用 ‎1.光导纤维是由折射率____________的玻璃内芯和折射率____________的外层透明介质组成的.‎ ‎2.光纤通信是光导纤维的一个重要应用，光纤通信先将声音信号转换为____________，利用光纤把输出____________；到接收端再将____________还原为____________.‎ 高手笔记 ‎1.对光的全反射的理解.‎ ‎（1）光的全反射是光从光密介质进入光疏介质时，折射光线消失，只剩下反射光线的现象.‎ ‎(2)全反射是光的折射的特殊现象，光的反射定律适用于全反射.‎ ‎(3)发生全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于等于临界角.‎ ‎（4）极限方法的正确运用是解决全反射问题的关键，全反射棱镜与光导纤维的分析需结合实际问题，画出光路图，借助几何关系分析解释.‎ ‎2.应用全反射解决实际问题的基本方法 ‎（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）若光由光密介质进入光疏介质，则根据sinC=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，运算及变换进行动态分析或定量计算.‎ 名师解惑 ‎1．如何理解光疏介质和光密介质？‎ 剖析:（1）光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义.例如：水晶（n=1.55）对玻璃（n=1.5）是光密介质，而对金刚石来说（n=2.427），就是光疏介质.同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的.‎ ‎（2）光若从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角.‎ ‎（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.‎ ‎（4）光疏介质和光密介质的比较 光疏介质和光密介质的比较表 光的速度 折射率 光疏介质 大 小 光密介质 小 大 ‎2．光导纤维的物理原理是什么？‎ 剖析：全反射的一个重要应用就是用于光导纤维（简称光纤）.光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质.光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射.这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够从另一个端面射出.如图‎4-2-2‎所示，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像.如果把许多（上万根）光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排列，就可以传输图像.‎ 图‎4-2-2‎ 讲练互动 ‎【例题1】如图‎4-2-3‎所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则（ ）‎ 图‎4-2-3‎ A.只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象 B.只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象 C.不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象 D.不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象 解析：在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不发生全反射现象，则选项C正确.在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再达到界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，因此入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D也正确.综上可知，选项C、D正确.‎ 答案：CD 黑色陷阱 有的同学认为在界面Ⅱ，光由光密介质进入光疏介质，只要入射角足够大，就可能发生全反射现象.这是错误的，错误的原因在于孤立地讨论光在界面Ⅱ能否发生全反射现象，而没有认识到光是由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，到达界面Ⅱ时光的入射角等于在界面Ⅰ的折射角，它的大小是受到折射定律限制的，因此在界面Ⅱ上的入射角总是小于临界角.[=]‎ 变式训练 ‎1．关于全反射，下列说法中正确的是（ ）‎ A.发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线 B.光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象 C.光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象 D.水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生全反射 解析:全反射发生的条件是当光从光密介质射向光疏介质时，且入射角大于或等于临界角时发生的现象，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质.‎ 答案:CD ‎【例题2】在厚度为d、折射率为n的大玻璃板下表面，有一个半径为r的圆形发光面.为了从玻璃板的上方看不见这个圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一块圆形纸片，问所贴纸片的最小半径应为多大？‎ 解析：根据题意，光路图如图‎4-2-4‎所示，图中S点为圆形发光面边缘上的一点.由该点发出的光线能射出玻璃板的范围由临界光线SA确定，当入射角大于临界角C时，光线就不能射出玻璃板了.‎ 图‎4-2-4‎ 图中Δr=dtanC=d,而sinC=,则cosC=,‎ 所以Δr=.故应贴圆纸片的最小半径R=r+Δr=r+.‎ 答案：R=r+‎ 绿色通道 有关全反射现象的问题，关键是理解发生全反射的条件，注意找出临界光线，并正确作出光路图，根据临界角公式和几何知识进行判断和计算.‎ 变式训练 ‎2.如图‎4-2-5‎所示，在清澈平静的水底，抬头向上观察，会看到一个十分有趣的现象:‎ 图‎4-2-5‎ ‎（1）水面外的景物（蓝天、白云、树木、房屋），都呈现在顶角θ=97°‎ 的倒立圆锥底面的“洞”内；‎ ‎（2）“洞”外是水底的景象；‎ ‎（3）“洞”边呈现彩色，且七色的顺序为内紫外红.‎ 试分析上述水下观天的奇异现象.‎ 解析:水面外的景物射向水面的光线，凡入射角0≤i<90°时，都能折射入水中被人观察到（如图所示）.根据折射定律，在i=90°的临界条件下n=，sinr===,r=48.5°.‎ 这样倒圆锥的顶角θ=2r=97°‎ 水底发出的光经过水面反射也可以进入观察者的眼中，但是由于“洞”内有很强的折射光，所以只有在“洞”外才能看到水底景物经水面的反射光，也就是在“洞”外看到水底景象.如图所示.‎ 光线从空气中折射入水中，要产生色散现象：红光的折射率最小，偏向角最小；紫光的折射率最大，偏向角最大.因为眼睛感觉光线是沿直线传播的，所以从水中看到的彩色“洞”边是内紫外红.‎ 答案:见解析 ‎【例题3】如图‎4-2-6‎所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n.光从它的一个端面射入，又从另一端面射出所需的最长时间为多少？（设光在真空中的光速为c）‎ 图‎4-2-6‎ 解析：由题中的已知条件可知，要使光线从光导纤维的一端射入，然后从它的另一端全部射出，必须使光线在光导纤维中发生全反射现象.要使光线在光导纤维中经历的时间最长，就必须使光线的路径最长，即光对光导纤维的入射角最小.光导纤维的临界角为 C=arcsin.‎ 光在光导纤维中传播的路程为 d==nL.‎ 光在光导纤维中传播的速度为v=.‎ 所需最长时间为tmax=.‎ 答案：‎ 绿色通道 光导纤维是全反射现象的应用，其构造由内芯和外套组成，内芯的折射率大于外套.与此题相关的一类求极值的问题，极值存在的条件均与全反射临界角有关.‎ 变式训练 ‎3.(2020广东)光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务.目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络.下列说法正确的是（ ）‎ A.光纤通信利用光作为载体来传递信息 B.光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理 C.光导纤维传递光信号是利用光的色散原理 D.目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝 解析:光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝.‎ 答案:AD 体验探究 ‎【问题】依据课本第78页的“实验与探究”‎ 内容，通过观察全反射现象，体验探究并分析总结出折射角随入射角变化而变化的规律，以及折射光线与入射光线强弱变化的对比情况.‎ 导思:做好全反射实验是关键，光源最好用氦氖激光光源，而且要在较暗的环境中进行.要注意保证入射光经过圆心.仔细观察入射角的变化对反射光和折射光的影响.‎ 探究:注意观察实验中入射光、反射光、折射光的方向变化及能量分配关系:(1)折射角随着入射角的增大而增大；（2）折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，即折射光线的能量减小，而反射光线的强度增强，能量增大；（3）当入射角增大到某一角度时（即临界角），折射光的能量减弱到零（即折射角等于90°），入射光的能量全部反射回到水中，即发生全反射.‎ 通过该实验，对全反射有进一步深刻的理解：‎ ‎（1）全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解.当光线从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射.‎ ‎（2）发生全反射的条件：光由光密介质射向光疏介质；入射角i大于或等于临界角C，即i≥C.‎ ‎(3)折射角等于90°时的入射角叫做临界角.由折射定律知，n·sinC=1·sin90°,即sinC=.‎ 公式sinC=只适用于光由介质射向真空（或空气）时的临界角计算，即C为介质对真空（或空气）的临界角.‎ 教材链接 阅读课本第81页的“讨论与交流”，回答下列问题：‎ ‎（1）在什么情况下才能看见彩虹？为什么？‎ ‎（2）现在大城市为什么很难看见彩虹？‎ ‎（3）从对彩虹的分析中，你有哪些关于环境保护的设想？‎ 答:（1）彩虹是由于日光经过球状小水滴时，从空气射入球内要发生折射，从球内射向空气可能要发生全反射形成的.当阳光进入水滴后就被分解为七色光，这七色光再经过内表面反射进入我们的视角，我们就看见了七彩的虹.‎ 如图‎4-2-7‎甲所示是由于太阳光经过小水滴时，受到两次折射，一次反射，产生第一道彩虹，偏向程度与日光进行方向差138°，因此我们看到第一道彩虹呈现42°方位角，如图4-2-7中乙所示.‎ 如图‎4-2-7‎丙、丁所示，若日光受到两次折射、两次反射，则产生第二道彩虹（50°）.由于红光受折射偏向最小，蓝光最大.第一道彩虹的颜色排列由内向外是：蓝→红，第二道则是红→蓝.‎ 图4-2-7‎ 彩虹多发生在大雨过后，需背对阳光才看得到，每个人看到的彩虹都以观察者为中心形成42°或50°的光环.‎ 其实，彩虹不仅仅来自天空，在有水雾和阳光的地方，都有可能看见彩虹，因为彩虹实际上是白光通过水滴折射、反射后产生的.‎ ‎(2)大城市由于环境污染严重，空气中漂浮大量的粉尘等颗粒杂质，也使得空中的小水珠不再纯净，难以形成日光的折射和全反射，所以很难看到彩虹.‎ ‎（3）要爱护环境，保护大气层，减少有害气体的排放，植树造林.‎