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(共39張PPT)
第四章
3
全反射
1
知道什么是光疏介質和光密介質，理解它們具有相對性.
2
理解全反射現象，掌握臨界角的概念和全反射的條件.
重點
3
了解全反射棱鏡和光導纖維.
難點
趣味實驗：隱身硬幣
你能解釋這個“魔術”中的物理原理嗎？
水中的氣泡看上去特別明亮
晶瑩剔透的露珠
炎熱的夏天柏油路面有時看起來特別明亮
全反射
n空氣=1.0028
光從空氣到水中(
入射角
折射角
光從水到空氣中(光路是可逆的)
入射角
折射角
光疏介質
光密介質
光從折射率較小的介質進入折射率較大的介質時，折射角小于入射角
光從折射率較大的介質進入折射率較小的介質時，折射角大于入射角
(1)光疏介質：折射率較小的介質.
(2)光密介質：折射率較大的介質.
(3)光疏介質與光密介質是相對的.
(4)光在光密介質中的傳播速度比在光疏介質中的小( ).
1.光疏介質和光密介質
θ1
θ2
空氣
N
N'
A
O
B
介質 1
θ1
θ3
N
N'
A
O
B
空氣
介質2
介質1相對介質2是光疏介質
介質1與介質2相對空氣都是光密介質
θ2
θ3
＞
n1
＜
n2
光由光密介質進入光疏介質時，折射角大于入射角，如果入射角不斷增大，使折射角增大到90°時，會出現什么現象？
隨著入射角的逐漸增大：
折射角逐漸 ；折射光線亮度逐漸 ；反射角逐漸 ；
反射光線亮度逐漸 ；當入射角增大到某一角度時，折射角達到90 ，折射光線 ，所有光線全部反射。
增大
減弱
增大
增強
消失
玻璃
空氣
C
如圖，當折射角恰好為90 時，根據
臨界角
(1)全反射：光從光密介質射入光疏介質時，同時發生折射和反射.如果入射角逐漸增大，折射光離法線會越來越遠，而且越來越弱，反射光卻越來越強當入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光的現象.
2.全反射現象
(2)臨界角：剛好發生全反射，即折射角等于90°時的入射角.用字母C表示，光從介質射入空氣(真空)時，發生全反射的臨界角C與介質的折射率n的
關系是sin C＝ .
(3)全反射發生的條件
①光從光密介質射入光疏介質.
②入射角等于或大于臨界角.
例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比，酒精是光密介質。
1.“因為玻璃密度較大，所以一定是光密介質”，這種說法對嗎？
不對，光密介質和光疏介質具有相對性，如玻璃相對于水是光密介質，而相對于金剛石則是光疏介質.因此折射率與介質的密度沒有必然聯系，折射率是反映介質光學性質的物理量.
2.如下表，光從以下哪種介質射入空氣更容易發生全反射？
介質 水 玻璃 金剛石
折射率n 1.33 1.5～1.9 2.42
臨界角C 48.8° 32°～42° 24.4°
介質折射率越大，發生全反射的臨界角越小，越容易發生全反射，故光從金剛石射入空氣更容易發生全反射.
生活中的全反射現象
光疏介質
光密介質
水中的氣泡看上去特別明亮：光從水或玻璃射向氣泡時，一部分光在分界面上發生了全反射.
晶瑩剔透的露珠：光由水珠內部射向空氣時，大部分光線發生了全反射，與折射出來的光線重疊交織在一起，所以看起來會比較亮。
炎熱的夏天柏油路面有時看起來特別明亮
貼近熱路面附近的空氣層比上層空氣的折射率小，遠處物體射向路面的部分光線發生了全反射，所以，從遠處看，炎熱夏天柏油路面有時看起來特別明亮。
上現蜃景—海市蜃樓
海面上下層空氣溫度低，密度大，折射率大，上層空氣溫度高，密度小，折射率小，遠方物體發出的光線向空中入射時不斷折射彎曲，到某高度時發生全反射，再射回地面，觀察者感覺這光線來自空中。
下現蜃景——沙漠蜃景
貼近地面空氣溫度高，密度小，折射率小，上層空氣溫度低，密度大 ，折射率大 。遠方物體發出的有些光線向地面入射時不斷折射彎曲，到地面附近時發生全反射，再折向上，射向遠處空中，觀察者感覺這光線來自地下。
導練
1.(多選)下列說法正確的是
A.因為水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介質
B.因為水的折射率小于酒精的折射率，所以水對酒精來說是光疏介質
C.同一束光，在光密介質中的傳播速度較大
D.同一束光，在光密介質中的傳播速度較小
√
√
因為水的折射率為1.33，酒精的折射率為1.36，所以水對酒精來說是光疏介質，折射率與介質的密度沒有必然聯系，選項A錯誤，B正確；
2.在潛水員看來，岸上所有景物都出現在一個倒立的圓錐里，為什么？這個圓錐的頂角是多大(水的折射率n＝1.33)
答案　見解析
幾乎貼著水面射入水里的光線，在潛水員看來是從折射角為C的方向射來的，水面上其他方向射來的光線，折射角都小于C.因此他認為水面以上所有的景物都出現在頂角為2C的圓錐里.
設圓錐的頂角為α，則有α＝2C＝97.6°
即圓錐的頂角為97.6°.
3.(課本第94頁第3題)如圖是一個用折射率n＝2.4的透明介質做成的四棱柱的橫截面圖，其中∠A＝∠C＝90°，∠B＝60°，現有一束光從圖示的位置垂直入射到棱鏡的AB面上，畫出光路圖，確定射出光線.注意：每個面的反射光線和折射光線都不能忽略.
答案　見解析
4.如圖，一個三棱鏡的截面為等腰直角三角形ABC，∠A為直角.此截面所在平面內的光線沿平行于BC邊的方向射到AB邊，進入棱鏡后直接射到AC邊上，并剛好能發生全反射.該棱鏡材料的折射率為
√
由幾何關系：C＝90°－r
總結提升
介質折射率除應用折射率定義式求解外，還可根據全反射條件求解：
全反射的應用——全反射棱鏡、光導纖維
(1)由AB面垂直入射時
圖為橫截面是等腰直角三角形的玻璃棱鏡(各種玻璃的臨界角為32°～42°)，當光線以以下三種方式入射時會發生什么現象？
(2)由AC面垂直入射時
方向變化90 °
方向變化180 °
A
B
C
C
B
A
(3)由AB面水平入射時
A
B
C
方向發生側移
(1)全反射棱鏡：截面為等腰直角三角形的棱鏡.
(2)原理：利用全反射原理
(3)特點：與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎可達100%.
(4)作用：改變光路
1.全反射棱鏡
(5)應用：全反射棱鏡的應用
璀璨奪目的鉆石
自行車尾燈
雙筒望遠鏡
潛望鏡
激光筆發出的光射入一根彎曲的有機玻璃棒的一端，觀察光傳播的路徑有什么特點？
當光在有機玻璃棒內傳播時，如果從有機玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光會發生全反射，于是光在有機玻璃棒內沿著鋸齒形路線傳播。
(1)構造：光導纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有幾微米到一百微米，如圖所示，它是由內芯和外套兩層組成的，內芯的折射率大于外套的折射率.
(2)原理：利用全反射原理
(3)應用：作為載體，傳遞信息
①內窺鏡：檢查人體胃、腸、氣管等臟器的內部
②光纖通信：傳輸容量大、衰減小、抗干擾性及保密性強
2.光導纖維
“做一做”—水流導光
現在，你能解釋水流導光的原理了嗎？
光導纖維在醫學上的應用
如果把光導纖維聚集成束，使纖維在兩端排列的相對位置一樣，圖像就可以從一端傳到另一端(圖1)。 醫學上用這種光纖制成內窺鏡(圖2)用來檢查人體胃、腸、氣管等臟器的內部。 實際的內窺鏡裝有兩組光纖，一組把光傳送到人體內部進行照明，另一組把體內的圖像傳出供醫生觀察。
圖1
圖2
光纖通信
光纖通信的主要優點是容量大、衰減小、抗干擾性強。
我國光纖通信發展
導練
5.空氣中兩條光線a和b從方框左側入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖所示.方框內有兩個折射率n＝1.5的全反射玻璃棱鏡.下列選項給出了兩棱鏡的四種放置方式的示意圖.其中能產生圖中效果的是
√
四個選項的光路圖如圖所示：
可知B項正確.
6.如圖所示，AB為一直光導纖維，A、B之間距離為s，使一光脈沖信號從光導纖維中間入射，射入后在光導纖維與空氣的界面上恰好發生全反射，由A點傳輸到B點所用時間為t，求光導纖維所用材料的折射率n.(已知光在真空中的傳播速度為c)
設光導纖維所用材料的折射率為n，恰好發生全反射，則有
全反射
目標一：全反射
1.光疏介質和光密介質
2.全反射現象
目標二：全反射的應用
1.全反射棱鏡
2.光導纖維
相對性
臨界角：
全反射發生的條件
1966 年，33 歲的華裔科學家高錕提出：光通過直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來傳輸大量信息。高錕因此獲得 2009 年諾貝爾物理學獎。根據這一理論制造的光導纖維(optical fiber)已經普遍應用到通信領域。這其中就用到了全反射原理。
高錕(1933-2018)

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