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4.2全反射
第四章 光
全反射
全反射棱鏡
光導(dǎo)纖維
01
02
03
目錄
CONTENTS
全反射
PART 1
1.光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)：
①.光疏介質(zhì):兩種介質(zhì)中折射率較小的介質(zhì)叫做光疏介質(zhì).
②.光密介質(zhì):兩種介質(zhì)中折射率較大的介質(zhì)叫做光密介質(zhì).
③.注意：
1）“光密介質(zhì)”和“光疏介質(zhì)” 是相對而言的，對其界定是以折射率為依據(jù)的。
2）光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的小。
一、全反射
介質(zhì) 水 玻璃 金剛石
折射率n 1.33 1.5~1.9 n＝2.42
（這幾種介質(zhì)的折射率都是相對于λ ＝ 589.3 nm的光波，
且溫度在t ＝ 20 ℃的折射率）
玻璃相對于水是光密介質(zhì)，但相對于金剛石卻是光疏介質(zhì)
3）光由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)，折射角小于入射角。光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，折射角大于入射角。


O
空氣
水
光疏介質(zhì)
光密介質(zhì)
思考：光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，如果入射角不斷增大，使折射角增大到90 時，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？


O
光疏介質(zhì)
光密介質(zhì)
空氣
水
（1）折射角逐漸 ；
（2）折射光線亮度逐漸 ；
（3）反射角逐漸 ；
（4）反射光線亮度逐漸 ；
（5）當(dāng)入射角增大到某一角度時，折射光線 ，所有光線全部反射。
當(dāng)光從玻璃射向空氣，隨著入射角的逐漸增大的過程中：
增大
減弱
增大
增強(qiáng)
消失
實驗現(xiàn)象：
2.全反射：
（1）、定義：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，入射角逐漸增大到某一角度，光線全部被反射回原光密介質(zhì)的現(xiàn)象。
(2)、臨界角：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏
介質(zhì)時，折射角等于900角時的入射角叫做臨界角。用C表示。
玻璃
空氣
思考與討論：
1）光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，一定發(fā)生全反射嗎？發(fā)生全反射現(xiàn)象的條件是什么？
2）由于不同介質(zhì)的折射率不同，在光從介質(zhì)射向空氣時，發(fā)生全反射的臨界角是不一樣的，怎樣計算光從折射率為n的某種介質(zhì)射向空氣發(fā)生全反射的臨界角C？
3、發(fā)生全反射的條件：
(1)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；
(2)入射角等于或大于臨界角
4、臨界角C 的大?。?br/>界面
真空
介質(zhì)
法線
C
由折射率可得：
臨界角的正弦值：
介質(zhì) 水 玻璃 金剛石
折射率n 1.33 1.5~1.9 n＝2.42
臨界角C 48.8 ° 32 °~ 42 ° 24.4 °
不同介質(zhì)的臨界角
（這幾種介質(zhì)的折射率都是相對于λ ＝ 589.3 nm的光波，
且溫度在t ＝ 20 ℃的折射率）
例1.一束由a、b兩種單色光組成的復(fù)色光從水中射入空氣中，并分成a、b兩束，下列關(guān)于a、b兩束單色光的說法正確的是（　?。?br/>A．若水中入射光SA的入射角不斷增大，
則a光先發(fā)生全反射
B．a(chǎn)光的折射率比b光的折射大
C．在真空中a光的速度比b光大
D．在水中a光的傳播速度比b光的大
D



A
例4.如圖所示，一梯形透明介質(zhì)ABCD，∠A＝75°，∠B＝45°，一光線垂直于BC面從E點射入介質(zhì)后，射到AB面時恰好發(fā)生全反射，從AD面上的某點射出。求：
（1）介質(zhì)對該光線的折射率n；
（2）該光線從AD面射出的折射角r。
解析：
（1）根據(jù)幾何關(guān)系有：
做出光路圖如圖示：
（2）根據(jù)幾何關(guān)系有：


C
C

sinc=

n=
sinc=
600
i

sini=

得:n=

OP=

V=


sinc=



B
思考1：水中的魚看水面和岸上的景物，是一種什么體驗?zāi)兀?br/>水的折射率為1.33 所以C=48.80
則有圓錐頂角θ=2C=97.60
結(jié)論：水中的一切生物看水面上和岸上的所有景物，都出現(xiàn)在頂角約為97.6°的倒立圓錐里。
學(xué)以致用：
結(jié)論：光從水中射向空氣時，一部分光在分界面上發(fā)生了全反射。
思考2：草葉上露珠特別明亮，為什么？
學(xué)以致用：
全反射棱鏡
PART 2
介質(zhì) 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 °
45
45
45
45
45
45
變化90 °
變化180 °
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。
1.結(jié)構(gòu)：橫截面為等腰直角三角形。
2.作用：改變光的方向，可使光的傳播方向改變90°或180°。當(dāng)光垂直于它的任意一個界面射入后，都會在其內(nèi)部發(fā)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率很高。
二、全反射棱鏡
（1）雙筒望遠(yuǎn)鏡中的全反射棱鏡
3.應(yīng)用：
（2）自行車尾燈
（3）潛望鏡
對于精密的光學(xué)儀器，如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等，就需要用全反射棱鏡代替平面鏡，以消除多余的像．
思考2：玻璃能讓光在玻璃里全反射，能不能讓光一直在玻璃中全反射？ 讓光從一條很長的玻璃里，從一端跑到另一端？
例7．空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)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(nèi)有兩個折射率n=1.5的玻璃全反射棱鏡。下列選項中給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖，其中能產(chǎn)生上述效果的是 (　　)
B
光導(dǎo)纖維
PART 3
高錕(1933-2018)
1966 年，33歲的華裔科學(xué)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(xué)獎。根據(jù)這一理論制造的光導(dǎo)纖維（optical fiber）已經(jīng)普遍應(yīng)用到通信領(lǐng)域。這其中就用到了全反射。
當(dāng)光在有機(jī)玻璃棒內(nèi)傳播時，如果從有機(jī)玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光會發(fā)生全反射，于是光在有機(jī)玻璃棒內(nèi)沿著鋸齒形路線傳播。這就是光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的原理。
實用光導(dǎo)纖維的直徑只有幾微米到一百微米。因為很細(xì)，一定程度上可以彎折。它由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。
1.原理：利用全反射原理
2.構(gòu)造：由折射率較高的玻璃內(nèi)芯和折射率較低的外層透明介質(zhì)組成，因為內(nèi)芯的折射率比外套的大，所以，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。
3.優(yōu)點：容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)
三、光導(dǎo)纖維
如果把光導(dǎo)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(yī)學(xué)上用這種光纖制成內(nèi)窺鏡（圖 2）用來檢查人體胃、腸、氣管等臟器的內(nèi)部。 實際的內(nèi)窺鏡裝有兩組光纖，一組把光傳送到人體內(nèi)部進(jìn)行照明，另一組把體內(nèi)的圖像傳出供醫(yī)生觀察。
圖2
圖1
4.應(yīng)用：①內(nèi)窺鏡
光纖通信的主要優(yōu)點是容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng)。
光纖
一路光纖的傳輸能力理論值為二十億路電話，一千萬路電視。雖然光纖通信的發(fā)展歷史只有20多年的，但是發(fā)展的速度是驚人的。
4.應(yīng)用：②傳遞信息
例8．光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播．以下關(guān)于光導(dǎo)纖維的說法正確的是（　?。?br/>A．內(nèi)芯的折射率比外套大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射
B．內(nèi)芯的折射率比外套小，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射
C．內(nèi)芯的折射率比外套小，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生折射
D．內(nèi)芯的折射率與外套相同，外套的材料有韌性，可以起保護(hù)作用
A

C
例10.(2024湖南師范大學(xué)附中月考)我國的光纖通信起步
較早,現(xiàn)已成為技術(shù)先進(jìn)的幾個國家之一。如圖甲是光纖的
示意圖,圖乙是光纖簡化示意圖(內(nèi)芯簡化為長直玻璃絲,外
套簡化為真空),玻璃絲長為AC=L,折射率為n,AB、CD代表
端面,光從AB端面以某一入射角θ進(jìn)入玻璃絲,在玻璃絲內(nèi)
部恰好發(fā)生全反射,已知光在真空中傳播的速度為c,下列選
項正確的是 (　　)
　
A.內(nèi)芯相對于外套是光疏介質(zhì)
B.sin θ=1/n
C.光在玻璃絲中傳播的速度為c sin θ
D.光在玻璃絲中從AB端面?zhèn)鞑サ紺D端面所用的時間
為n2L/c
D
思考3：海市蜃景和沙漠蜃景有區(qū)別嗎？
學(xué)以致用：
夏天，在氣壓恒定的海面上，空氣密度隨高度增加而減小，對光的折射率也隨之減小，從而形成一具有折射率梯度的空氣層.當(dāng)光線通過此空氣層時，將發(fā)生偏折.
1.上現(xiàn)蜃景——海市蜃樓
2.下現(xiàn)蜃景——沙漠蜃景
在沙漠里，白天沙石被太陽曬得灼熱，接近沙層的氣溫升高極快。由于空氣不善于傳熱，所以在無風(fēng)的時候，空氣上下層間的熱量交換極小，遂使下熱上冷的氣溫垂直差異非常顯著，并導(dǎo)致下層空氣密度反而比上層小的反?，F(xiàn)象.
例11.(經(jīng)典題)如圖所示,夏天,在平靜無風(fēng)的海面上,向遠(yuǎn)方望去,有時能看到山峰、
船舶、樓臺、亭閣、集市等出現(xiàn)在遠(yuǎn)方的空中。沙漠里有時也會看到遠(yuǎn)處的水
源、仙人掌近在咫尺,可望而不可即,這就是“蜃景”。下列有關(guān)蜃景的說法錯誤
的是 (　　)
A.海面上,上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小
B.沙面上,上層空氣的折射率比下層空氣的折射率要小
C.A是蜃景,B是景物
D.C是蜃景,D是景物
B
謝
謝
聆
聽

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