1、第2、3节光的全反射_光导纤维及其应用1.光疏介质和光密介质是相对的，区分光疏介质和光密介质要看两种介质折射率的大小关系。2光从光密介质射向光疏介质，且入射角达到临界角时，将发生全反射，全反射是一种特殊的光学现象。3全反射现象在日常生活中有很多应用，如光导纤维利用全反射来传输信号。全反射及其产生条件自读教材抓基础1光疏介质和光密介质的概念两种不同的介质，折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫做光密介质。2全反射现象(1)全反射及临界角的概念：全反射：光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质的现象。临界角：刚好发生全反射(即折射
2、角等于90)时的入射角。用字母C表示。(2)全反射的条件：光从光密介质射入光疏介质。入射角大于等于临界角。(3)临界角与折射率的关系：定量关系：光由介质射入空气(或真空)时，sin C(公式)。定性关系：介质折射率越大，发生全反射的临界角越，越容易发生全反射。跟随名师解疑难1光疏介质和光密介质的比较光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大2对全反射的理解(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的角度加以理解。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
3、)全反射遵循的规律：光由光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律。有关计算仍可依据反射定律进行。(3)光从光密介质射向光疏介质时，只要入射角大于或等于临界角C，一定会发生全反射现象。特别提醒(1)光疏介质、光密介质是两种介质相比较而言的，只有一种介质，无法确定它是光疏介质还是光密介质。(2)分析光的全反射时，关键是根据临界条件画出恰好发生全反射的光路图，再利用几何知识分析边角关系。学后自检(小试身手)1光从一种介质射到另一种介质时，发生了全反射，则全反射发生在()A折射率较小的介质中B折射率较大的介质中C光速较大的介质中 D入射角小于临界角解析：选B光从光密介质射到光疏介质才可能发生
4、全反射，且要求入射角大于或等于临界角，而光密介质的折射率大、光速小。对全反射现象的解释1.解释全反射现象(1)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是由于光射到气泡上发生了全反射。(2)在沙漠里，接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率，从远处物体射向地面的光线的入射角大于临界角时发生全反射，人们就会看到远处物体的倒影。2全反射棱镜(1)形状：截面为等腰直角三角形的棱镜。(2)光学特性：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。当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，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。全反射棱镜的反射性能比镀银的
5、平面镜更好。学后自检(小试身手)2.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n1.5的玻璃全反射棱镜。图中给出了两棱镜的四种放置方式的示意图，其中能产生如图效果的是() 解析：选B画出入射光线与出射光线反向延长线的交点则为发生全反射的位置，再根据光的传播方向的变化，可知B正确。光导纤维及其应用自读教材抓基础1原理利用了全反射原理。2构造光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成。内芯的折射率比外套的，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。3应用光纤通信先将声音信号转换为信号，利用光纤把光信
6、号输出；到接收端再将光信号还原为声音信号。4主要优点容量大、能量损耗小、抗干扰能力强，保密性好等。跟随名师解疑难1理解光导纤维的工作原理(1)全反射是光导纤维的基本工作原理。全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于或等于临界角。临界角C的大小满足：sin C。(2)光导纤维的构造就是为了满足光的全反射。光纤一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成。光在光纤内传播时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角iC(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射。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之间，在内芯和外套的界面上发生全反射，如图所示。2光纤通信光
7、也是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为载体来传递信息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信。学后自检(小试身手)3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的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射B内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射C内芯的折射率比外套的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生折射D内芯的折射率与外套的相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用解析：选A光导纤维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
8、，从而使载有声音、图像以及各种数字信号的激光在光纤中远距离传递，故只有A对。对全反射现象的考查典题例析例1(2017全国卷)如图，一半径为R的玻璃半球，O点是半球的球心，虚线OO表示光轴(过球心O与半球底面垂直的直线)。已知玻璃的折射率为1.5。现有一束平行光垂直入射到半球的底面上，有些光线能从球面射出(不考虑被半球的内表面反射后的光线)。求(1)从球面射出的光线对应的入射光线与光轴距离的最大值；(2)距光轴的入射光线经球面折射后与光轴的交点到O点的距离。解析(1)如图，从底面上A处射入的光线，在球面上发生折射时的入射角为i，当i等于全反射临界角ic时，对应入射光线到光轴的距离最大，设最大距离
9、为l。iic设n是玻璃的折射率，由全反射临界角的定义有nsin ic1由几何关系有sin i联立式并利用题给条件，得lR。(2)设与光轴相距的光线在球面B点发生折射时的入射角和折射角分别为i1和r1，由折射定律有nsin i1sin r1设折射光线与光轴的交点为C，在OBC中，由正弦定理有由几何关系有Cr1i1sin i1联立式及题给条件得OCR2.74R。答案(1)R(2)2.74R探规寻律解答这一类问题要抓住折射定律和发生全反射的条件。而解决全反射问题的关键为：(1)准确地作出光路图。(2)抓住特殊光线的分析，尤其是正确找出边界光线。如果发生全反射，则刚好发生全反射的临界光线就是边界光线。
10、(3)正确利用几何知识或结合临界角与折射率的关系解决。跟踪演练1.如图，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下方。一束白光沿半径方向从A点射入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带。若入射点由A向B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失。在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光分别是()A减弱，紫光B减弱，红光C增强，紫光 D增强，红光解析：选C光在传播时随入射角增大，反射光能量增强，折射光能量减少。根据能量守恒定律可知，当折射光线变弱或消失时反射光线的强度将增强，故A、B两项均错；在七色光中紫光频率最大且最易发生全反射，故光屏上最
11、先消失的光是紫光，故C项正确，D项错误。光导纤维的工作原理典题例析例2由于激光是亮度高、平行度好、单色性好的相干光，所以光导纤维中用激光作为信息高速传输的载体。要使射到粗细均匀的圆形光导纤维一个端面上的激光束都能从另一个端面射出，而不会从侧壁“泄漏”出来，光导纤维所用材料的折射率至少应为多大？审题指导第一步抓关键点关键点获取信息光导纤维工作原理：全反射光束不会侧漏光束在侧壁发生全反射第二步找突破口“从一个端面射入，从另一个端面射出”，根据这句话画出入射、折射及全反射的光路图，根据全反射的知识求解问题。解析设激光束在光导纤维端面的入射角为i，折射角为，折射光线射向侧面时的入射角为，如图所示。令入
12、射角i90，光线刚好能在侧壁发生全反射。由折射定律得n，由几何关系得90，则sin cos 。由全反射临界角的公式得sin ，则cos 。又i90，则sin i1，故n，解得n。故要保证从端面射入的任何光线都能发生全反射，光导纤维的折射率应满足n。答案n探规寻律一定要对光线变化过程进行分析，当入射角i从零逐渐增大的过程中，折射角也增大，折射光线入射到侧壁的入射角是减小的，如果当i增大到90时，仍有大于或等于临界角，题目要求就能满足，其临界条件是i90，arcsin。找不出这个条件，就无法入手解答。跟踪演练2如图所示，是两个城市间的光缆中的一条光导纤维的一段，光缆总长为L，它的玻璃芯的折射率为n
13、1，外层材料的折射率为n2。若光在空气中的传播速度近似为c，则对于光由它的一端射入经多次全反射后从另一端射出的过程中，则下列判断中正确的是()An1n2，光通过光缆的时间等于Bn1n2，光通过光缆的时间等于Dn1n2，光通过光缆的时间大于解析：选D光从光密介质射入光疏介质，才可能发生全反射，故n1n2；光在内芯传播的路程s，光在内芯的传播速度v，所以t，故D正确。课堂双基落实1在医学上，光导纤维可以制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部。内窥镜有两组光导纤维，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行观察。光在光导纤维中的传输利用了()A光的折射B光的衍射C光的干涉 D光的全反射解析
14、：选D光导纤维简称光纤，是利用全反射的原理来传播光信号的，通常光纤是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯和外套的界面上发生全反射。2一束光线从折射率为1.5的玻璃内射向空气，在界面上的入射角为45。如图所示的四个光路图中，正确的是()解析：选Asin Csin 45，所以C45，所以光线在玻璃与空气的界面上发生全反射。3酷热的夏天，在平坦的柏油公路上，你会看到在一定距离之外，地面显得格外明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影，但当你靠近“水面”时，它也随你的靠近而后退，对此现象正确的解释是()A此“水面”存在，但在较远的地方B“水面”不存在，是由于酷热难耐，
15、人产生的幻觉C太阳辐射到地面，使地表空气温度升高，折射率变大，发生全反射D太阳辐射到地面，使地表空气温度升高，折射率变小，发生全反射解析：选D考查光的折射、全反射。酷热的夏天地面温度高，地表附近空气的密度小，空气的折射率下小上大，远处车、人反射的太阳光由光密介质射入光疏介质发生全反射。4.如图所示，一段横截面为正方形的玻璃棒，中间部分弯成四分之一圆弧形状，一细束单色光由MN端面的中点垂直射入，恰好能在弧面EF上发生全反射，然后垂直PQ端面射出。(1)求该玻璃棒的折射率。(2)若将入射光向N端平移，当第一次射到弧面EF上时_(填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射。解析：(1)如图所示，单色光照射到EF弧面上时恰好发生全反射，由全反射的条件可知C45。由折射定律得n联立解得n。(2)当入射光线向N端平移时，射到EF面上的入射角将增大，所以能发生全反射。答案：(1)(2)能