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学案3 光的全反射
[学习目标定位] 1.理解光疏介质和光密介质，了解“疏”与“密”是相对的.2.理解光的全反射，会利用全反射解释有关现象.3.理解临界角的概念，能推断是否发生全反射并能画出相应的光路图.4.了解全反射棱镜和光导纤维．
1．光在两种介质的分界面发生反射时，反射角等于入射角，当发生折射时，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比为一常数．(填“入射角”、“反射角”、“折射角”之间的关系)
一、光疏介质和光密介质
任何介质的折射率都大于1，折射率越大，光在其中传播的速度就越小．两种介质相比较，折射率较大的介质叫做光密介质，折射率较小的介质叫做光疏介质．
二、全反射
1．当光从光密介质射到光疏介质的界面时，同时发生折射和反射．当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消逝，只剩下反射光，这种现象叫做全反射，这时的入射角叫做临界角．
2．当光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是：sin C＝.
三、光导纤维
光纤通信利用了光的全反射原理，它的优点是容量大，能量衰减小，抗干扰力量强，传输速率高等．
一、全反射
[问题设计]
如教材图所示，让光沿着半圆柱形玻璃砖的半径射到它的平直的边上．在这个边与空气的界面上会发生反射和折射．渐渐增大入射角，观看反射光线和折射光线的变化．
答案 由试验可以看到，当光沿着半圆柱形的玻璃砖的半径射到直边上时，一部分光从玻璃砖的直边上折射到空气中，一部分光反射回玻璃砖内，渐渐增大入射角，会看到折射光离法线越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强．当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消逝，只剩下反射光．
[要点提炼]
1．光疏介质和光密介质
任何介质的确定折射率都大于1，折射率越大，光在其中传播的速度就越小，两种介质相比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质．
2．全反射现象
(1)临界角：折射角为90°时的入射角称为全反射临界角，简称临界角，用C表示，sin C＝.
(2)全反射发生的条件
①光从光密介质射入光疏介质．
②入射角大于或等于临界角．
(3)全反射遵循的规律
①折射角随着入射角的增大而增大，折射角增大的同时，折射光线的强度减弱，亮度减弱，而反射光线的强度增加，亮度增加．
②当入射角增大到某一角度(即临界角)时，折射光线完全消逝(即折射角为90°)，入射光线的能量全部反射回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律．
[延长思考]
为什么水中或玻璃中的气泡看起来特殊光明？
答案 水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光入射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特殊光明．
二、全反射的应用
[问题设计]
1．如图1所示，自行车后面有尾灯，它虽然本身不发光，但在夜间行驶时，从后面开来的汽车发出的强光照在尾灯上时，会有较强的光被反射回去，使汽车司机留意到前面有自行车．那么自行车的尾灯利用了什么原理？
图1
答案 利用了全反射的原理．
2．素有“光纤之父”之称的华裔科学家高锟博士，因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通讯方面”取得的突破性成就，获得了2009年诺贝尔物理学奖，你知道光纤通讯的原理吗？
答案 光纤通讯利用了全反射的原理．
[要点提炼]
1．全反射棱镜的特点
(1)当光垂直于它的一个界面射入后，会在其内部发生全反射(如图2)．全反射棱镜比平面镜的反射率高，几乎可达100%.
(2)反射面不必涂任何反光物质，反射失真小．
图2
2．光导纤维的结构与应用
(1)光导纤维传光原理：全反射原理．
(2)光导纤维的构造：由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯和外套上发生全反射．如图3所示．
图3
(3)光导纤维的应用：光纤通讯、医学上的内窥镜．
[延长思考]
制作自行车尾灯时，除了要求截面做成等腰直角三角形外，对材料的折射率有要求吗？
答案 如图所示，发生全反射时，临界角C最大为45°，故应有n≥即n≥，要求材料的折射率要大于.
一、对全反射的理解
例1 如图4所示，半圆形玻璃砖放在空气中，三条同一颜色、强度相同的光线，均由空气射入玻璃砖，到达玻璃砖的圆心位置．下列说法正确的是( )
图4
A．假如三条光线中有一条在O点发生了全反射，那肯定是aO光线
B．假如光线bO能发生全反射，那么光线cO肯定能发生全反射
C．假如光线bO能发生全反射，那么光线aO肯定能发生全反射
D．假如光线aO恰能发生全反射，则光线bO的反射光线比光线cO的反射光线的亮度大
解析 三条入射光线沿着指向圆心的方向由空气射向玻璃砖，在圆周界面，它们的入射角为零，均不会偏折．在直径界面，光线aO的入射角最大，光线cO的入射角最小，它们都是从光密介质射向光疏介质，都有发生全反射的可能．假如只有一条光线发生了全反射，那肯定是aO光线，由于它的入射角最大，所以选项A对．假如光线bO能发生全反射，说明它的入射角等于或大于临界角，光线aO的入射角更大，所以，光线aO肯定能发生全反射，光线cO的入射角可能大于或等于临界角，也可能小于临界角，因此，cO光线不肯定能发生全反射．所以选项B错，C对．假如光线aO恰能发生全反射，则光线bO和光线cO都不能发生全反射，但bO光线的入射角更接近于临界角，所以，光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强，即光线bO的反射光线亮度较大，所以D对，本题答案选A、C、D.
答案 ACD
二、全反射的应用
例2 一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯，图5为过轴线的截面图，调整入射角α，使光线恰好在水和空气的界面上发生全反射，已知水的折射率为，求sin α的值．
图5
解析 当光线在水面发生全反射时，有
sin C＝
当光线从左侧射入时，由折射定律有
＝n
联立以上两式，代入数据可得
sin α＝
答案
例3 光导纤维的结构如图6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( )
图6
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，可以起爱护作用
解析 光导纤维很细，它的直径只有几微米到一百微米，它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射．
答案 A
例4 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7所示．方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜．下图给出了两棱镜的四种放置方式的示意图．其中能产生图中效果的是( )
图7
解析 四个选项产生光路效果如下图：
由上图可知B项正确．
答案 B
—
1．(对全反射的理解)光从介质a射向介质b，假如要在a、b介质的分界面上发生全反射，那么必需满足的条件是( )
A．a是光密介质，b是光疏介质
B．光在介质a中的速度必需大于在介质b中的速度
C．光的入射角必需大于或等于临界角
D．光的入射角必需小于临界角
答案 AC
2．(全反射的应用)关于光导纤维的说法，正确的是( )
A．光导纤维是由高级金属制成的，所以它比一般电线容量大
B．光导纤维是格外细的特制玻璃丝，但导电性能特殊好，所以它比一般电线衰减小
C．光导纤维是格外细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，光纤是利用全反射原理来实现光的传导的
D．在实际应用中，光导纤维必需呈笔直状态，由于弯曲的光纤是不能导光的
答案 C
解析 光导纤维的作用是传导光，它是直径为几微米到一百微米之间的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，且内芯的折射率比外套的大．载有声音、图像及各种数字信号的激光传播时，在内芯和外套的界面上发生全反射，光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点．在实际应用中，光纤是可以弯曲的．所以答案是C.
3．(全反射的理解)(2022·福建·13)如图所示，一束光由空气射向半圆柱体玻璃砖，O点为该玻璃砖截面的圆心，下图能正确描述其光路的是( )
答案 A
解析 光从玻璃砖射向空气时，假如入射角大于临界角，则发生全反射；假如入射角小于临界角，则在界面处既有反射光线，又有折射光线，但折射角应大于入射角，选项A正确，选项C错误．当光从空气入射玻璃砖时，在界面处既有反射光线，又有折射光线，且入射角大于折射角，选项B、D错误．
4．(全反射的理解)如图8所示，ABCD是平面平行的透亮 玻璃砖，AB面和CD面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，假如转变光到达界面Ⅰ时的入射角，则( )
图8
A．只要入射角足够大，光线在界面 Ⅰ 上就可能发生全反射现象
B．只要入射角足够大，光线在界面 Ⅱ 上就可能发生全反射现象
C．不管入射角多大，光线在界面 Ⅰ 上都不行能发生全反射现象
D．不管入射角多大，光线在界面 Ⅱ 上都不行能发生全反射现象
答案 CD
解析 在界面Ⅰ：光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不会发生全反射现象，选项C正确；在界面Ⅱ：光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，因此入射角总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D也正确．
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