2全反射一、光疏介质和光密介质一、光疏介质和光密介质项目项目名称名称光疏介质光疏介质光密介质光密介质定义定义折射率折射率_的介质的介质折射率折射率_的介质的介质传播速度传播速度光在光密介质中的传播速度比在光疏介光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度质中的传播速度_较小较小较大较大小小项目项目名称名称光疏介质光疏介质光密介质光密介质折射特点折射特点(1)(1)光从光疏介质射入光密介质时光从光疏介质射入光密介质时, ,折射折射角角_入射角入射角(2)(2)光从光密介质射入光疏介质时光从光密介质射入光疏介质时, ,折射折射角角_入射角入射角小于小于大于大于二、全反射及其条件二、全反射及其条件1.1.全反射及临界角的概念全反射及临界角的概念: :(1)(1)全反射全反射: :当光从光密介质射入光疏介质时当光从光密介质射入光疏介质时, ,同时发生同时发生折射和反射。当入射角增大到某一角度折射和反射。当入射角增大到某一角度, ,使折射角达到使折射角达到_时时, ,折射光折射光_,_,只剩下反射光的现象。只剩下反射光的现象。(2)(2)临界角临界角: :刚发生全反射刚发生全反射( (即折射角等于即折射角等于_)_)时的时的_,_,用字母用字母C C表示。表示。9090完全消失完全消失9090入射角入射角2.2.全反射的条件全反射的条件: :(1)(1)光由光由_介质射入介质射入_介质。介质。(2)(2)入射角入射角_或或_临界角。临界角。光密光密光疏光疏大于大于等于等于3.3.临界角与折射率的关系临界角与折射率的关系: :(1)(1)定量关系定量关系: :光由某种介质射入空气光由某种介质射入空气( (或真空或真空) )时时, ,sinC=_sinC=_。(2)(2)定性关系定性关系: :介质的折射率越大介质的折射率越大, ,发生全反射的临界角发生全反射的临界角_,_,越容易发生全反射。越容易发生全反射。越小越小三、全反射的应用三、全反射的应用1.1.全反射棱镜全反射棱镜: :(1)(1)形状形状: :截面为截面为_三角形的棱镜。三角形的棱镜。(2)(2)光学特性。光学特性。当光垂直于截面的直角边射入棱镜时当光垂直于截面的直角边射入棱镜时, ,光在截面的斜光在截面的斜边上发生边上发生_,_,光射出棱镜时光射出棱镜时, ,传播方向改变了传播方向改变了_。等腰直角等腰直角全反射全反射9090当光垂直于截面的斜边射入棱镜时当光垂直于截面的斜边射入棱镜时, ,在两个直角边上在两个直角边上各发生一次各发生一次_,_,使光的传播方向改变了使光的传播方向改变了_。全反射全反射1801802.2.光导纤维及其应用光导纤维及其应用: :(1)(1)原理原理: :利用了光的利用了光的_。(2)(2)构造构造: :光导纤维是非常细的特制玻璃丝光导纤维是非常细的特制玻璃丝, ,由内芯和外由内芯和外套两层组成。内芯的折射率比外套的大套两层组成。内芯的折射率比外套的大, ,光传播时在内光传播时在内芯与外套的界面上发生芯与外套的界面上发生_。全反射全反射全反射全反射【预习诊断】【预习诊断】1.1.请判断下列说法的正误。请判断下列说法的正误。(1)(1)入射角大于临界角就会发生全反射现象。入射角大于临界角就会发生全反射现象。( () )(2)(2)光密介质是指密度大的介质。光密介质是指密度大的介质。( () )(3)(3)一种介质不是光疏介质就是光密介质。一种介质不是光疏介质就是光密介质。( () )(4)(4)光由光疏介质射入光密介质后速度减小。光由光疏介质射入光密介质后速度减小。( () )(5)(5)光由光疏介质射入光密介质时才能发生全反射。光由光疏介质射入光密介质时才能发生全反射。( () )(6)(6)临界角与折射率成反比。临界角与折射率成反比。( () )提示提示: :(1)(1)。发生全反射的两个条件缺一不可。发生全反射的两个条件缺一不可, ,光必须光必须从光密介质射入光疏介质。从光密介质射入光疏介质。(2)(2)。光密介质是指折射率大的介质。光密介质是指折射率大的介质。(3)(3)。一种介质究竟是光疏介质还是光密介质是相对。一种介质究竟是光疏介质还是光密介质是相对其他介质而言的。其他介质而言的。(4)(4)。光密介质的折射率大。光密介质的折射率大, ,光在其中的传播速度小。光在其中的传播速度小。(5)(5)。光由光密介质射入光疏介质时才能发生全反射。光由光密介质射入光疏介质时才能发生全反射。(6)(6)。临界角随折射率的增大而减小。临界角随折射率的增大而减小, ,但不是反比关但不是反比关系。系。2.2.关于全反射关于全反射, ,下列叙述中正确的是下列叙述中正确的是( () )A.A.发生全反射时仍有折射光线发生全反射时仍有折射光线, ,只是折射光线非常弱只是折射光线非常弱B.B.光从光密介质射向光疏介质时光从光密介质射向光疏介质时, ,一定会发生全反射现一定会发生全反射现象象C.C.光从光密介质射向光疏介质时光从光密介质射向光疏介质时, ,可能不发生全反射现可能不发生全反射现象象D.D.光从光疏介质射向光密介质时光从光疏介质射向光密介质时, ,可能发生全反射现象可能发生全反射现象【解析】【解析】选选C C。全反射发生的条件是光从光密介质射向。全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质和入射角大于等于临界角光疏介质和入射角大于等于临界角, ,二者缺一不可二者缺一不可, ,故故选项选项B B、D D错误错误,C,C正确正确; ;发生全反射时发生全反射时, ,折射光线全部消折射光线全部消失失, ,只剩下反射光线只剩下反射光线, ,选项选项A A错误。错误。3.3.光线由空气透过半圆形玻璃砖光线由空气透过半圆形玻璃砖, ,再射入空气的光路图再射入空气的光路图中中, ,正确的是正确的是( (玻璃的折射率为玻璃的折射率为1.5)1.5)( () )A.A.图乙、丙、丁图乙、丙、丁 B.B.图乙、丁图乙、丁C.C.图乙、丙图乙、丙D.D.图甲、丙图甲、丙【解析】【解析】选选B B。题图甲、乙。题图甲、乙, ,光由空气进入玻璃光由空气进入玻璃, ,由光疏由光疏介质进入光密介质介质进入光密介质, ,应有应有1 12 2, ,乙正确乙正确, ,甲错误甲错误; ;题图题图丙、丁丙、丁, ,光由玻璃进入空气中光由玻璃进入空气中,sinCsin45,sinCsin45,即即C45,Cnnb b,a,a光的频率光的频率a ab b, ,光在真空中的传播速度相等光在真空中的传播速度相等,A,A错误错误; ;由由= = 得得B B错误错误; ;由由v= v= 和和t= t= 得得C C正确正确; ;根据根据sinC= sinC= 得得D D错误。错误。3.3.如图所示如图所示, ,直角三角形直角三角形ABCABC为一三棱镜的截面为一三棱镜的截面,A ,A =30=30。一束单色光从空气射向。一束单色光从空气射向BCBC上的上的E E点点, ,并偏折到并偏折到ABAB上的上的F F点点, ,光线光线EFEF平行于底边平行于底边ACAC。已知入射方向与。已知入射方向与BCBC的的夹角夹角=30=30。试通过计算判断光在。试通过计算判断光在F F点能否发生全反点能否发生全反射。射。【解析】【解析】光线在光线在BCBC界面的入射角界面的入射角1 1=60=60, ,折射角折射角2 2=30=30。根据折射定律根据折射定律, ,得得n= n= 由几何关系知由几何关系知, ,光线在光线在ABAB界面的入射角为界面的入射角为3 3=60=60, ,因此因此sinsin3 3= = 而棱镜对空气的临界角而棱镜对空气的临界角C C的正弦值的正弦值sinC= sinC= 则由则由sinsin3 3sinCsinC知知, ,在在ABAB界面的入射角界面的入射角3 3 C, C,所以光线在所以光线在F F点将发生全反射。点将发生全反射。答案答案: :见解析见解析4.4.如图所示如图所示, ,一束光线从空气射入某介质一束光线从空气射入某介质, ,入射光线与入射光线与反射光线夹角为反射光线夹角为90,90,折射光线与入射光线延长线间夹折射光线与入射光线延长线间夹角角为为15,15,求求: :(1)(1)该介质的折射率。该介质的折射率。(2)(2)光在该介质中传播的速度。光在该介质中传播的速度。(3)(3)当光从介质射入空气时的临界角。当光从介质射入空气时的临界角。【解析】【解析】(1)(1)由反射定律可知由反射定律可知=,=,由于由于+=90+=90, ,故入射角故入射角=45=45; ;由图可知由图可知r+=45r+=45, ,由于由于=15=15, ,故折射角故折射角r=30r=30, ,所以该介质的折射率所以该介质的折射率n= n= (2)(2)由折射率与速度的关系由折射率与速度的关系n= n= 得得v= m/s=2.12v= m/s=2.1210108 8m/sm/s(3)(3)光从介质射入空气时临界角的正弦值光从介质射入空气时临界角的正弦值sinC= sinC= 故临界角故临界角C=45C=45答案答案: :(1) (1) (2)2.12(2)2.1210108 8m/sm/s(3)45(3)45知识点二知识点二光导纤维光导纤维探究导入探究导入: :如图所示是光导纤维的结构示意图如图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其内芯和外套由两种光学性能不同的介质构成的介质构成, ,内芯对光的折射率要比外套对光的折射率内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高。请问高。请问: :在制作光导纤维时在制作光导纤维时, ,选用的材料为什么要求选用的材料为什么要求内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高内芯对光的折射率要比外套对光的折射率高? ?提示提示: :光只有满足从光密介质射入光疏介质光只有满足从光密介质射入光疏介质, ,才会发生才会发生全反射。而光导纤维要传播加载了信息的光全反射。而光导纤维要传播加载了信息的光, ,需要所有需要所有光在内芯中经过若干次反射后光在内芯中经过若干次反射后, ,全部到达目的地全部到达目的地, ,所以所以需要发生全反射需要发生全反射, ,故内芯对光的折射率必须要比外套对故内芯对光的折射率必须要比外套对光的折射率高。光的折射率高。【归纳总结】【归纳总结】1.1.构造及传播原理构造及传播原理: :(1)(1)构造构造: :光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝, ,直径只有直径只有1 1100m,100m,如图所示如图所示, ,它是由内芯和外套两层组成它是由内芯和外套两层组成, ,内内芯的折射率大于外套的折射率。芯的折射率大于外套的折射率。(2)(2)传播原理传播原理: :光由一端进入光由一端进入, ,在两层的界面上经过多次在两层的界面上经过多次全反射全反射, ,从另一端射出从另一端射出, ,光导纤维可以远距离传播光光导纤维可以远距离传播光, ,光光信号又可以转换成电信号信号又可以转换成电信号, ,进而变为声音、图像。进而变为声音、图像。2.2.光导纤维的折射率光导纤维的折射率: :设光导纤维的折射率为设光导纤维的折射率为n,n,当入射当入射角为角为1 1时时, ,进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全反射反射, ,如图所示如图所示, ,则有则有:sinC= C+:sinC= C+2 2=90,=90,由以上各式可得由以上各式可得:sin:sin1 1= = 由图可知由图可知: :当当1 1增大时增大时,2 2增大增大, ,而从纤维射向空气中而从纤维射向空气中光线的入射角光线的入射角减小减小, ,当当1 1=90=90时时, ,若若=C,=C,则所有进则所有进入纤维中的光线都能发生全反射入纤维中的光线都能发生全反射, ,即解得即解得n= ,n= ,以上是以上是光从纤维射向真空时得到的折射率光从纤维射向真空时得到的折射率, ,由于光导纤维包有由于光导纤维包有外套外套, ,外套的折射率比真空的折射率大外套的折射率比真空的折射率大, ,因此折射率要因此折射率要比比 大些。大些。【典题过关】【典题过关】 【典例】【典例】如图所示如图所示, ,一根长为一根长为l=5.0m=5.0m的光导纤维用折射的光导纤维用折射率率n= n= 的材料制成。一束激光由其左端的中心点以的材料制成。一束激光由其左端的中心点以4545的入射角射入光导纤维内的入射角射入光导纤维内, ,经过一系列全反射后从经过一系列全反射后从右端射出右端射出, ,则则: :(1)(1)该激光在光导纤维中的速度该激光在光导纤维中的速度v v是多大是多大? ?(2)(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少? ?【正确解答】【正确解答】(1)(1)由由n= n= 可得可得v=2.1v=2.110108 8m/sm/s。(2)(2)由由n= n= 可得光线从左端面射入后的折射角为可得光线从左端面射入后的折射角为3030, ,射到侧面时的入射角为射到侧面时的入射角为6060, ,大于临界角大于临界角4545, ,因因此发生全反射。同理光线每次在侧面都将发生全反射此发生全反射。同理光线每次在侧面都将发生全反射, ,直到光线到达右端面。由几何关系可以求出光线在光直到光线到达右端面。由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程导纤维中通过的总路程s= ,s= ,因此该激光在光导纤维因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间中传输所经历的时间t= =2.7t= =2.71010-8-8s s。答案答案: :(1)2.1(1)2.110108 8m/sm/s(2)2.7(2)2.71010-8-8s s【过关训练】【过关训练】光导纤维的结构如图所示光导纤维的结构如图所示, ,其内芯和外套材料不同其内芯和外套材料不同, ,光光在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是( () )A.A.内芯的折射率比外套的大内芯的折射率比外套的大, ,光传播时在内芯与外套的光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射界面上发生全反射B.B.内芯的折射率比外套的小内芯的折射率比外套的小, ,光传播时在内芯与外套的光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射界面上发生全反射C.C.内芯的折射率比外套的小内芯的折射率比外套的小, ,光传播时在内芯与外套的光传播时在内芯与外套的界面上发生折射界面上发生折射D.D.内芯的折射率与外套的相同内芯的折射率与外套的相同, ,外套的材料有韧性外套的材料有韧性, ,可可以起保护作用以起保护作用【解析】【解析】选选A A。光导纤维内芯的折射率比外套的大。光导纤维内芯的折射率比外套的大, ,光光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射传播时在内芯与外套的界面上发生全反射, ,故选项故选项A A对对, ,选项选项B B、C C、D D错误。错误。【补偿训练】【补偿训练】1.1.光纤通信是一种现代化的通信手段光纤通信是一种现代化的通信手段, ,它可以为客户提供大容量、高速度、它可以为客户提供大容量、高速度、高质量的通信服务高质量的通信服务, ,为了研究问题方便为了研究问题方便, ,我们将光导纤我们将光导纤维简化为一根长直玻璃管维简化为一根长直玻璃管, ,如图所示。设此玻璃管长为如图所示。设此玻璃管长为L,L,折射率为折射率为n n。已知从玻璃管左端面射入玻璃内的光线。已知从玻璃管左端面射入玻璃内的光线在玻璃管的侧面上恰好能发生全反射在玻璃管的侧面上恰好能发生全反射, ,最后从玻璃管的最后从玻璃管的右端面射出。设光在真空中的传播速度为右端面射出。设光在真空中的传播速度为c,c,则光通过则光通过此段玻璃管所需的时间为此段玻璃管所需的时间为( () )【解析】【解析】选选A A。用。用C C表示临界角表示临界角, ,则有则有sinC= ,sinC= ,则光在则光在玻璃管中的传播速度为玻璃管中的传播速度为v= v= 。光在沿玻璃管轴线的方。光在沿玻璃管轴线的方向上做匀速传播。所用时间为向上做匀速传播。所用时间为t= t= 故故A A正确。正确。2.2.如图所示如图所示,AB,AB为光导纤维为光导纤维,A,A、B B之间距离为之间距离为s,s,使一光使一光脉冲信号从光导纤维中间入射脉冲信号从光导纤维中间入射, ,射入后在光导纤维与空射入后在光导纤维与空气的界面上恰好发生全反射气的界面上恰好发生全反射, ,由由A A点传输到点传输到B B点所用时间点所用时间为为t,t,求光导纤维所用材料的折射率求光导纤维所用材料的折射率n n。【解析】【解析】设介质的折射率为设介质的折射率为n,n,则有则有sin=sinC= sin=sinC= n= n= t= t= 由以上三式解得由以上三式解得t= t= 所以所以n= n= 。答案答案: : 【拓展例题】【拓展例题】考查内容考查内容: :全反射中光线范围的确定全反射中光线范围的确定【典例】【典例】如图所示如图所示, ,在桌面上有一倒立的玻璃圆锥在桌面上有一倒立的玻璃圆锥, ,其其顶点恰好与桌面接触顶点恰好与桌面接触, ,圆锥的轴圆锥的轴( (图中虚线图中虚线) )与桌面垂直与桌面垂直, ,过轴线的截面为等边三角形。有一半径为过轴线的截面为等边三角形。有一半径为r r的圆柱形平的圆柱形平行光束垂直入射到圆锥的底面上行光束垂直入射到圆锥的底面上, ,光束的中心轴与圆锥光束的中心轴与圆锥的轴重合。已知玻璃的折射率为的轴重合。已知玻璃的折射率为1.5,1.5,则光束在桌面上则光束在桌面上形成的光斑半径为形成的光斑半径为( () )A.rA.rB.1.5rB.1.5rC.2rC.2rD.2.5rD.2.5r【正确解答】【正确解答】选选C C。由。由sinC= sinC= 即即C60C60, ,故光线首先发生全反射故光线首先发生全反射, ,作出光路图如图所示作出光路图如图所示, ,由图中由图中几何关系可得几何关系可得rtan 60rtan 60=(R+r)tan 30=(R+r)tan 30, ,故故R=2r,R=2r,所以所以选项选项C C正确。正确。