一、光的全反射現(xiàn)象1．填一填(1)光密介質和光疏介質：折射率 的介質稱為光密介質，折射率 的介質稱為光疏介質。光密介質和光疏介質是 的。(2)光的全反射：當光從光密介質射入光疏介質時，折射角大于入射角且隨入射角的增大而增大，當入射角達到一定角度，折射角變成90°，繼續(xù)增大入射角，折射角將大于90°，此時入射光線 被反射回光密介質的現(xiàn)象。(3)臨界角：折射角等于 時的入射角，記作iC。
3．想一想如圖，讓一束光沿著半圓形玻璃磚的半徑射向玻璃磚，在底面上光發(fā)生反射和折射，逐漸增大入射角，為什么折射光線消失，只有反射光線？提示：因為入射角大于或等于臨界角，發(fā)生了全反射現(xiàn)象。
二、光導纖維的工作原理和應用1．填一填(1)光導纖維是 原理的一個重要應用。(2)構造：光導纖維簡稱光纖，沿垂直光纖軸向的兩層結構，外層的折射率_____ 內(nèi)層的折射率，當光在其中傳輸時，發(fā)生 。(3)應用①醫(yī)學上用來檢查人體消化道的 就利用了許多光纖組合成的光纜。②光纖通信就是利用光纖傳遞信息的，其優(yōu)點是：容量大， 小、抗干擾性強。
2．判一判(1)光導纖維內(nèi)芯折射率比外套的折射率小。( )(2)光在光導纖維中傳播時會在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。( )(3)容量大和抗干擾能力強都是光纖通信的優(yōu)點。( )
3．選一選光纖通信是利用光的全反射將大量信息高速傳輸。若采用的光導纖維是由內(nèi)芯和外套兩層組成，下列說法正確的是(　　)A．內(nèi)芯和外套折射率相同，折射率都很大B．內(nèi)芯和外套折射率相同，折射率都很小C．內(nèi)芯和外套折射率不同，外套折射率較小D．內(nèi)芯和外套折射率不同，外套折射率較大解析：光在光導纖維內(nèi)傳播而不折射出來，這是光在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射的緣故，因而內(nèi)芯的折射率一定大于外套的折射率，所以C正確。答案：C
探究(一) 全反射現(xiàn)象的分析[問題驅動]光照到兩種介質界面處，發(fā)生了如圖所示的現(xiàn)象。(1)上面的介質與下面的介質哪個折射率大？(2)全反射發(fā)生的條件是什么？提示：(1)下面的介質折射率大。(2)一是光由光密介質射入光疏介質；二是入射角大于等于臨界角?！　　　?br/>[重難釋解]1．判斷全反射問題的方法(1)確定光是從光密介質進入光疏介質。(2)明確入射角大于等于臨界角。2．全反射遵循的規(guī)律發(fā)生全反射時，光全部返回原介質，入射光與反射光遵循光的反射定律，由于不存在折射光線，光的折射定律不再適用。
3．從能量角度來理解全反射當光從光密介質射入光疏介質時，隨著入射角的增大，折射角也增大。同時折射光線強度減弱，即折射光線的能量減小，反射光線的能量增加，當入射角達到臨界角時，折射光線消失，反射光的能量等于入射光的能量。[特別提醒](1)光疏介質、光密介質是對確定的兩種介質而言的，只對一種介質，無法確定它是光疏介質還是光密介質。(2)不同光的臨界角：不同顏色的光由同一種介質射向空氣或真空時，折射率越大的臨界角越小，越易發(fā)生全反射?！　　?br/>解決全反射問題的基本思路
探究(二) 全反射棱鏡的原理和應用[問題驅動]如圖為構成“潛望鏡”的關鍵部件——全反射棱鏡中的光路圖。全反射棱鏡應用了什么原理？提示：全反射棱鏡應用了光的全反射，必須要滿足光發(fā)生全反射的條件?！?br/>[重難釋解]1．全反射棱鏡的作用及應用(1)作用：橫截面是等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡，全反射棱鏡是一種特殊的棱鏡，在光學儀器中用來改變光的方向。(2)應用：對于精密的光學儀器，如照相機、望遠鏡、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。2．應用實例
典例2 (2020·全國卷Ⅱ)直角棱鏡的折射率n＝1.5，其橫截面如圖所示，圖中∠C＝90°，∠A＝30°，截面內(nèi)一細束與BC邊平行的光線，從棱鏡AB邊上的D點射入，經(jīng)折射后射到BC邊上。(1)光線在BC邊上是否會發(fā)生全反射？說明理由；(2)不考慮多次反射，求從AC邊射出的光線與最初的入射光線夾角的正弦值。
[素養(yǎng)訓練]如圖所示，一束光從空氣垂直射到直角棱鏡的AB面上， 已知棱鏡材料的折射率為，則這束光進入棱鏡后的光 路圖應為 (　　)
2.(2019·全國卷Ⅲ)如圖，直角三角形ABC為一棱鏡的橫截面，∠A＝90°，∠B＝30°。一束光線平行于底邊BC射到AB邊上并進入棱鏡，然后垂直于AC邊射出。(1)求棱鏡的折射率； (2)保持AB邊上的入射點不變，逐漸減小入射角，直到BC邊上恰好有光線射出。求此時AB邊上入射角的正弦。
探究(三) 光導纖維的原理和應用[問題驅動]如圖所示是光導纖維的結構示意圖，其內(nèi)芯和外套由兩種光學性能不同的介質構成，內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高。在制作光導纖維時，選用的材料為什么要求內(nèi)芯對光的折射率要比外套對光的折射率高？提示：光只有滿足從光密介質射入光疏介質，才會發(fā)生全反射。而光導纖維要傳播加載了信息的光，需要所有光在內(nèi)芯中經(jīng)過若干次反射后，全部到達目的地，所以需要發(fā)生全反射，故內(nèi)芯對光的折射率必須要比外套對光的折射率高?！　　　?br/>[重難釋解]1．光導纖維的構造光導纖維一般由折射率較大的玻璃內(nèi)芯和折射率較小的外層透明介質組成，如圖所示。實際用的光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑在幾微米到一百微米之間，外層包上折射率比它小的材料，再把若干根光纖集成一束，制成光纜，進一步提高了光纖的強度。
2．光導纖維的原理全反射是光導纖維的基本工作原理。光在光纖內(nèi)傳播時，由光密介質射入到光疏介質，若入射角i≥C(臨界角)，光就會在光纖內(nèi)不斷發(fā)生全反射。3.光導纖維的折射率設光導纖維的折射率為n，入射光線的入射角為θ1，若進入端面的折射光線傳到側面時恰好發(fā)生全反射，如圖所示。
典例3 如圖所示是一段長直光導纖維的簡化圖，光纖總長為L，已知光從左端射入光纖，在光纖的側面上恰好能發(fā)生全反射，若已知該光纖的折射率為n，光在真空中傳播速度為c，求：(1)光在該光纖中傳播的速度大??；(2)光從左端射入最終從右端射出所經(jīng)歷的時間。
2.如圖所示，AB為光導纖維，A、B之間距離為s，使一束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(fā)生全反射，由A點傳輸?shù)紹點所用時間為t，求光導纖維所用材料的折射率。
一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材“物理聊吧”)美妙的彩虹，常引發(fā)人們產(chǎn)生美好的聯(lián)想，被比喻為“天空的微笑”“相會的彩橋”等。通常能看見的彩虹是紅色在外、紫色在內(nèi)，這被稱為“虹”。有時還能看見一組相對“虹”而言顏色較淡的彩色圓弧，紅色在內(nèi)、紫色在外，這被稱為“霓”(如圖)。根據(jù)下圖，與同學討論交流：
(1)虹與霓的形成除了有光的折射外，還經(jīng)歷了什么過程？(2)我們看到的虹比霓亮得多，你能說出其中的道理嗎？提示：(1)還經(jīng)歷了全反射過程。(2)虹在形成過程中，太陽光在水珠中經(jīng)歷了一次全反射，而霓在形成過程中，太陽光在水珠中經(jīng)歷了兩次反射，光能量有較大損耗。
二、注重學以致用和思維建模1.夏天，海面上下層空氣的溫度比上層空氣的溫度低。可以設想海面上的空氣是由折射率不同的許多水平空氣層組成的。景物發(fā)出的光線由于不斷被折射，越來越偏離原來的方向，人們逆著光線看去就出現(xiàn)了蜃景，如圖所示。則下列說法正確的是(　　)A．蜃景是景物由于海平面對光的反射所成的像B．海面上上層空氣的折射率比下層空氣的折射率大C．甲是蜃景，乙是景物D．乙是蜃景，甲是景物
解析：當大氣層比較平靜時，空氣的密度隨溫度的升高而減小，對光的折射率也隨之減小，海面上下層空氣的溫度比上層空氣的溫度低，空氣的折射率下層比上層大，B錯誤；遠處的景物發(fā)出的光線射向空中時，不斷被折射，射向折射率較低的上層的入射角越來越大，當光線的入射角大到臨界角時，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象，在地面附近的觀察者就可以觀察到由空中射來的光線形成的虛像，這就是海市蜃樓的景象，A、B錯誤；故甲是蜃景，乙是景物，C正確，D錯誤。答案：C
3.如圖為單反照相機取景器的示意圖，ABCDE為五棱鏡的一個截面，AB⊥BC。光線垂直AB射入，分別在CD和EA上發(fā)生反射，且兩次反射的入射角相等，最后光線垂直BC射出。若兩次反射都為全反射，則該五棱鏡折射率的最小值是多少？(計算結果可用三角函數(shù)表示)

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第三節(jié) 光的全反射與光纖技術

版本： 粵教版 (2019)

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