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第四章 光的折射和全反射
第3節(jié) 光的全反射
1.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念。
2.理解全反射的條件，能計(jì)算有關(guān)問題和解釋相關(guān)現(xiàn)象。
3.了解全反射棱鏡在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。
趣味實(shí)驗(yàn)：隱身硬幣
你能解釋這個(gè)“魔術(shù)”中的物理原理嗎？
讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個(gè)邊與空氣的界面會(huì)發(fā)生反射和折射。逐漸增大入射角，觀察反射光線和折射光線的變化。
演示：觀察反射、折射和全反射現(xiàn)象
【視頻：觀察全反射現(xiàn)象】
01 全反射及其條件
現(xiàn)象：
入射角逐漸增大,折射光離法線會(huì)越來越遠(yuǎn)（折射角逐漸變大）,而且越來越弱,反射光卻越來越強(qiáng)。當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達(dá)到90°時(shí),折射光完全消失。
1.光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)
（1）光疏介質(zhì)：折射率較小的介質(zhì)，光在光疏介質(zhì)中傳播速度相對(duì)較大。
（2）光密介質(zhì)：折射率較大的介質(zhì)，光在光密介質(zhì)中傳播速度相對(duì)較小。
特別提醒
光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的,并不是它的密度大小。例如,酒精的密度比水小,但酒精和水相比,酒精是光密介質(zhì)。
（3）光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是相對(duì)的
任何兩種透明介質(zhì)都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質(zhì)或光密介質(zhì)。
水、水晶和金剛石三種物質(zhì)相比較，水晶對(duì)水來說是光密介質(zhì)，對(duì)金剛石來說則是光疏介質(zhì)。
（4）光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的小n=。
2.全反射
（1）定義：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，入射角逐漸增大到某一角度，使折射角達(dá)到90°時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫作全反射。
（2）臨界角：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),使折射角變?yōu)?0°時(shí)的入射角,稱為這種介質(zhì)的臨界角,用字母C表示。
（3）發(fā)生全反射的條件
①光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；
②入射角等于或大于臨界角。
思考與討論：由于不同介質(zhì)的折射率不同，在光從介質(zhì)射入空氣（真空）時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角是不一樣的。怎樣計(jì)算光從折射率為 n 的某種介質(zhì)射入空氣（真空）發(fā)生全反射時(shí)的臨界角 C ？
O
空氣
N
N/
介質(zhì)
A
B
分析：光以接近 90°的入射角從空氣射入介質(zhì)，求出這時(shí)的折射角。根據(jù)光路可逆的道理，也就知道光從介質(zhì)射入空氣時(shí)發(fā)生全反射的臨界角了。
臨界角C的大小由折射率可得：
臨界角的正弦值：
（4）臨界角C與折射率n的關(guān)系。
①定量關(guān)系：光由介質(zhì)射入空氣(或真空)時(shí)，。
②定性關(guān)系:介質(zhì)折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小,越容易發(fā)生全反射。
一束單色光從玻璃射入空氣。已知玻璃的折射率 n = 1.53，當(dāng)入射角分別為 50°、30° 時(shí)，光能否發(fā)生折射？若能，折射角為多大？
先根據(jù)玻璃的折射率求出臨界角，再比較入射角與臨界角的大小，判斷是否會(huì)出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。若出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，折射光消失；若沒有出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，根據(jù)光的折射定律求解。
解：光由玻璃射入空氣，是由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，其臨界角滿足
代入數(shù)值得 C = 40° 50′
當(dāng) i = 50° 時(shí)，i ＞ C，所以光將發(fā)生全反射，不會(huì)發(fā)生折射；
當(dāng) i = 30° 時(shí)，i ＜ C，所以光進(jìn)入空氣中發(fā)生折射現(xiàn)象。
由折射定律
代入數(shù)值得 r = 49° 54′
某小區(qū)噴水池底部裝有不同顏色的 LED 燈（可視為點(diǎn)光源 ），可在水面形成不同顏色的光斑。若水池底部水平，水面平靜，紅光與紫光在水面形成的光斑面積哪個(gè)更大？
紫光的折射率大于紅光，因此紫光更容易發(fā)生全反射。
“消失”的硬幣
在桌子上放一枚硬幣， 取一只玻璃杯， 里面盛滿水，然后把玻璃杯壓在硬幣上（。從杯壁看去，硬幣不見了。但是從杯口向下望，硬幣還在那里。給玻璃杯底蘸上一些水， 再從杯壁看去， 你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么不同？ 請(qǐng)解釋此現(xiàn)象。
杯子盛滿水時(shí)，由于發(fā)生全反射，看不到硬幣。
杯底蘸水，使得入射角小于臨界角，所以又看到了硬幣。
光疏介質(zhì)
光密介質(zhì)
水中的氣泡看上去特別明亮：光從水或玻璃射向氣泡時(shí)，一部分光在分界面上發(fā)生了全反射.
02 全反射現(xiàn)象
上現(xiàn)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(yuǎn)方物體發(fā)出的光線向空中入射時(shí)不斷折射彎曲，到某高度時(shí)發(fā)生全反射，再射回地面，觀察者感覺這光線來自空中。
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下現(xiàn)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(yuǎn)方物體發(fā)出的有些光線向地面入射時(shí)不斷折射彎曲，到地面附近時(shí)發(fā)生全反射，再折向上，射向遠(yuǎn)處空中，觀察者感覺這光線來自地下。
點(diǎn)擊播放視頻
炎熱的夏天柏油路面有時(shí)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(yuǎn)處物體射向路面的部分光線發(fā)生了全反射，所以，從遠(yuǎn)處看，炎熱夏天柏油路面有時(shí)看起來特別明亮。
全反射棱鏡
（1）定義：截面為等腰直角三角形的玻璃棱鏡。
（2）特點(diǎn)：（玻璃的臨界角為32°- 42°）
①當(dāng)光垂直于它的任意一個(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反射面不必涂敷任何反光物質(zhì)。
(1)由AB面垂直入射時(shí)
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(dāng)光線以以下三種方式入射時(shí)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？
(2)由AC面垂直入射時(shí)
方向變化90 °
方向變化180 °
A
B
C
C
B
A
（3）作用：與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎可達(dá)100%。這種棱鏡在光學(xué)儀器中可用來改變光的方向。
全反射棱鏡
雙筒望遠(yuǎn)鏡中的全反射棱鏡
潛望鏡中的全反射棱鏡
1.關(guān)于全反射，下列說法中正確的是（　　）
A．發(fā)生全反射時(shí)，仍有折射光線，只是折射光線非常弱，因此可以認(rèn)為不存在折射光線而只有反射光線
B．光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，一定會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象
C．光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，也可能發(fā)生全反射現(xiàn)象
D．水或玻璃中的氣泡看起來特別亮，就是因?yàn)楣鈴乃虿Ａ湎驓馀輹r(shí)，在界面發(fā)生全反射
D
2.一束光線穿過介質(zhì)1、2、3時(shí)，光路如圖所示，則（　　）
A．介質(zhì)1的折射率最大
B．介質(zhì)2是光密介質(zhì)
C．光在介質(zhì)2中的速度最小
D．當(dāng)入射角由45°逐漸增大時(shí)，
在1、2分界面上可能發(fā)生全反射
D
3.如圖所示，AB為一直光導(dǎo)纖維，AB之間距離為s，使一光脈沖信號(hào)從光導(dǎo)纖維中間入射，射入后在光導(dǎo)纖維內(nèi)芯與外套的界面上恰好發(fā)生全反射，由A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所用時(shí)間為t，求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率n。
光信號(hào)由A點(diǎn)進(jìn)入光導(dǎo)纖維后，沿AO方向照射到O點(diǎn)，此時(shí)入射角恰好等于臨界角。由幾何
關(guān)系可得光在光導(dǎo)纖維中傳播的距離。
設(shè)光在此介質(zhì)中的速度為v，
則有，，
而，解得。
解：
全反射及其產(chǎn)生條件
光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)
全反射
定義
臨界角C：
全反射的產(chǎn)生條件
全反射現(xiàn)象
光的全反射
生活中的全反射現(xiàn)象
全反射棱鏡

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