?4.2 全反射
基礎(chǔ)知識(shí)梳理

一、全反射
1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)
(1)光疏介質(zhì)：折射率 的介質(zhì).
(2)光密介質(zhì)：折射率 的介質(zhì).
(3)光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)是 的.
2.全反射現(xiàn)象
(1)全反射：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，同時(shí)發(fā)生折射和反射.若入射角 到某一角度， 光線(xiàn)完全消失，只剩下 光線(xiàn)的現(xiàn)象.
(2)臨界角：剛好發(fā)生 ，即折射角等于90°時(shí)的 .用字母C表示，光從介質(zhì)射入空氣(真空)時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角C與介質(zhì)的折射率n的關(guān)系是sin C＝ .
(3)全反射發(fā)生的條件
①光從 介質(zhì)射入 介質(zhì).
②入射角等于或大于 .
二、全反射棱鏡
1.形狀：截面為 三角形的棱鏡.
2.全反射棱鏡的特點(diǎn)
(1)當(dāng)光垂直于它的一個(gè)界面射入后，都會(huì)在其內(nèi)部發(fā)生 ，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)，反射時(shí) .
三、光導(dǎo)纖維
1.原理：利用了光的 .
2.構(gòu)造：由 和外套兩層組成.內(nèi)芯的折射率比外套的 ，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射.
3.光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是容量 、衰減 、抗干擾性 等.
4.光導(dǎo)纖維除應(yīng)用于光纖通信外，還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的內(nèi)窺鏡等.
典型例題分析

考點(diǎn)一：發(fā)生全反射的條件、臨界角
【例1】如圖所示，有一光投射到放在空氣中的平行玻璃磚的第I表面，下面說(shuō)法中正確的是（　　）

A．如果在第I界面上入射角大于臨界角，光將不會(huì)進(jìn)入玻璃磚
B．光從第Ⅱ界面射出時(shí)出射光線(xiàn)可能與最初的入射光線(xiàn)不平行
C．光進(jìn)入第I界面后可能不從第Ⅱ界面射出
D．不論光從什么角度入射，都能從第Ⅱ界面射出
【變式練習(xí)】
1．紅、黃、綠三種單色光以相同的入射角從水中射向空氣，若黃光在界面上恰好發(fā)生全反射，則下列判斷正確的是（　?。?br /> A．綠光不能發(fā)生全反射
B．紅光一定能發(fā)生全反射
C．黃光在水中的波長(zhǎng)比紅光在水中的波長(zhǎng)長(zhǎng)
D．這三種單色光相比，紅光在水中傳播的速率最大
2．如圖所示，一束復(fù)色光從空氣中射入水中，分成兩束單色光a和b，則下列說(shuō)法正確的是（　?。?br />
A．在水中，a光的頻率大于b光的頻率
B．在水中，a光的光速大于b光的光速
C．在水中，a光的波長(zhǎng)大于b光的波長(zhǎng)
D．若光從水中射向空氣中，a光的臨界角大于b光的臨界角

考點(diǎn)二：根據(jù)全反射的條件判斷光能否發(fā)生全反射
【例2】如圖所示，相互平行的平面Ⅰ和Ⅱ?yàn)閮煞N光介質(zhì)的分界面，兩平面外為介質(zhì)1，兩平面間為介質(zhì)2，一單色光以一定的入射角入射到界面Ⅰ上，已知介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ?qū)Υ斯獾恼凵渎史謩e為n1和n2，則以下說(shuō)法正確的有 （　?。?br />
A．若n1n 2，此光線(xiàn)可能在界面Ⅰ上發(fā)生全反射
【變式練習(xí)】
1．如圖，一小孩在河水清澈的河面上以1m/s的速度游泳，t = 0時(shí)刻他看到自己正下方的河底有一小石塊，t = 3s時(shí)他恰好看不到小石塊了，河水的折射率n =，下列說(shuō)法正確的是（???）

A．3s后，小孩會(huì)再次看到河底的石塊
B．前3s內(nèi)，小孩看到的石塊越來(lái)越明亮
C．這條河的深度為m
D．t=0時(shí)小孩看到的石塊深度為m
2．如圖所示，一束由兩種色光混合的復(fù)色光沿PO方向射向一上、下表面平行且足夠大的厚玻璃平面鏡的上表面，得到三束反射光束I、II、III，則（　?。?br />
A．光束I仍為復(fù)色光，光束II、III為單色光，且三束光一定相互平行
B．增大α角且α≤，光束II、III會(huì)遠(yuǎn)離光束I
C．玻璃對(duì)光束III的折射率大于對(duì)光束II的折射率
D．減小α角且α>，光束Ⅲ可能會(huì)由于全反射從上表面消失
方法探究

一、全反射
1.全反射現(xiàn)象
(1)全反射的條件：
①光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì).
②入射角大于或等于臨界角.
(2)全反射遵循的規(guī)律：①發(fā)生全反射時(shí)，光全部返回原介質(zhì)，入射光與反射光遵循光的反射定律.②全反射的臨界角C和折射率n的關(guān)系：sin C＝.
(3)從能量角度來(lái)理解全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，隨著入射角增大，折射角也增大.同時(shí)折射光線(xiàn)強(qiáng)度減弱，能量減小，反射光線(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng)，能量增加，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，折射光線(xiàn)強(qiáng)度減弱到零，反射光線(xiàn)的能量等于入射光線(xiàn)的能量.
2.不同色光的臨界角：由于不同顏色(頻率不同)的光在同一介質(zhì)中的折射率不同.頻率越大的光，折射率也越大，所以不同顏色的光由同一介質(zhì)射向空氣或真空時(shí)，頻率越大的光的臨界角越小，越易發(fā)生全反射.
二、全反射棱鏡改變光路的幾種情況
入射方式
項(xiàng)目
方式一
方式二
方式三
光路圖



入射面
AB
AC
AB
全反射面
AC
AB、BC
AC
光線(xiàn)方向改變角度
90°
180°
0°(發(fā)生側(cè)移)
三、光導(dǎo)纖維
1.構(gòu)造及傳播原理
(1)構(gòu)造：光導(dǎo)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3所示，它是由內(nèi)芯和外套兩層組成的，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率

(2)傳播原理：光由一端進(jìn)入，在兩層的界面上經(jīng)過(guò)多次全反射，從另一端射出，光導(dǎo)纖維可以遠(yuǎn)距離傳播光信號(hào)，光信號(hào)又可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而變?yōu)槁曇?、圖像.
2.光導(dǎo)纖維的折射率
設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射角為θ1時(shí)，進(jìn)入光導(dǎo)纖維的光線(xiàn)傳到側(cè)面恰好發(fā)生全反射，則有：sin C＝，n＝，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：sin θ1＝.
由圖可知：當(dāng)θ1增大時(shí)，θ2增大，由光導(dǎo)纖維射向空氣的光線(xiàn)的入射角θ減小，當(dāng)θ1＝90°時(shí)，若θ＝C，則所有進(jìn)入光導(dǎo)纖維中的光線(xiàn)都能發(fā)生全反射，即解得n＝.

以上是光從光導(dǎo)纖維射向真空時(shí)得到的折射率，由于光導(dǎo)纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比大些.
四、解決全反射問(wèn)題的思路
(1)確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì).
(2)若光由介質(zhì)進(jìn)入空氣(真空)時(shí)，則根據(jù)sin C＝確定臨界角，看是否發(fā)生全反射.
(3)根據(jù)題設(shè)條件，畫(huà)出入射角等于臨界角的“臨界光路”.
(4)運(yùn)用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進(jìn)行判斷推理、運(yùn)算及變換并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析或定量計(jì)算.
課后小練

一、單選題
1．關(guān)于全反射，下列說(shuō)法正確的是（　?。?br /> A．光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)不可能發(fā)生全反射
B．光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射
C．光從折射率大的介質(zhì)射向折射率小的介質(zhì)時(shí)不可能發(fā)生全反射
D．光從傳播速度小的介質(zhì)射向傳播速度大的介質(zhì)時(shí)可能發(fā)生全反射
2．一束單色光從空氣射入水中，下列說(shuō)法中正確的是（　?。?br /> A．光的頻率不會(huì)變化 B．光的傳播速度變大
C．折射角大于入射角 D．有可能發(fā)生全反射
3．玻璃的折射率為1.5，如圖所示，光線(xiàn)由空氣射入半圓形玻璃磚，或由玻璃磚射入空氣的光路圖中，正確的是（　　）

A．圖甲、丙 B．圖甲、丁 C．圖乙、丙 D．圖乙、丁
4．自行車(chē)上的紅色尾燈不僅是裝飾品，也是夜間騎車(chē)的安全指示燈，它能把來(lái)自后面的光線(xiàn)反射回去。某種自行車(chē)尾燈可簡(jiǎn)化為由許多整齊排列的等腰直角棱鏡（折射率）組成，棱鏡的橫截面如圖所示。一平行于橫截面的光線(xiàn)從O點(diǎn)垂直AB邊射入棱鏡，先后經(jīng)過(guò)AC邊和CB邊反射后，從AB邊的O′點(diǎn)射出，則出射光線(xiàn)是（　　）

A．平行于AC邊的光線(xiàn)①
B．平行于入射光線(xiàn)的光線(xiàn)②
C．平行于CB邊的光線(xiàn)③
D．平行于AB邊的光線(xiàn)④
5．如圖所示，ABCD是兩面平行的足夠大的透明玻璃磚，AB面和CD面是玻璃和空氣的分界面，分別設(shè)為界面Ⅰ和界面Ⅱ。光線(xiàn)從界面Ⅰ射入玻璃磚，再?gòu)慕缑姊蛏涑?，回到空氣中，如果改變光到達(dá)界面Ⅰ時(shí)的入射角，則（　?。?br /> ①只要入射角足夠大，光線(xiàn)在界面Ⅰ上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象
②只要入射角足夠大，光線(xiàn)在界面Ⅱ上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象
③不管入射角多大，光線(xiàn)在界面Ⅰ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象
④不管入射角多大，光線(xiàn)在界面Ⅱ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象

A．①② B．②③ C．①④ D．③④
6．如圖所示，一束光沿半圓形玻璃磚的半徑射到其平直面上，并在該界面處發(fā)生反射和折射。當(dāng)逐漸增大入射角時(shí)，下列說(shuō)法正確的是（　?。?br />
A．反射光線(xiàn)和折射光線(xiàn)都逐漸減弱 B．反射光線(xiàn)和折射光線(xiàn)的夾角逐漸增大
C．折射光線(xiàn)逐漸減弱，直至完全消失 D．折射角和入射角的比值不變
7．如圖所示，勻質(zhì)透明球體的球心為O，半徑為R，置于真空中。一條光線(xiàn)DC平行于直徑AOB射向球體，若DC與AOB的距離，光線(xiàn)從C射入球體經(jīng)一次反射后由P點(diǎn)（圖中未標(biāo)出）再次折射回真空中，此時(shí)的出射光線(xiàn)剛好與入射光線(xiàn)平行，已知光在真空中的速度為c，則（　?。?br />
A．球體的折射率為n＝2
B．球體的折射率為
C．光線(xiàn)從C點(diǎn)射入到從P點(diǎn)射出球體的總時(shí)間為
D．適當(dāng)改變?nèi)肷潼c(diǎn)的位置，光線(xiàn)進(jìn)入球體后，可在球體內(nèi)發(fā)生全反射現(xiàn)象
8．如圖所示，AB為一長(zhǎng)L＝30km的光導(dǎo)纖維，一束光線(xiàn)從端面A射入，在側(cè)面發(fā)生全反射，最后從B端面射出。已知光導(dǎo)纖維的折射率n＝1.35，光線(xiàn)從纖維內(nèi)側(cè)面向外射出時(shí)，臨界角的正弦值為0.9，設(shè)在側(cè)面發(fā)生全反射的光線(xiàn)從A端傳播到B端所需時(shí)間為t，真空中的光速為3×108m/s，則下列說(shuō)法正確的是（　　）

A．t的最小值是1.35×10－4s B．t的最大值小于1.5×10－4s
C．t的最大值大于1.5×10－4s D．以上說(shuō)法都不正確
二、多選題
9．如圖所示，兩束單色光a、b自空氣射向玻璃，經(jīng)折射后形成復(fù)色光c。下列說(shuō)法正確的是（　?。?br />
A．a(chǎn)光的頻率大于b光的頻率
B．該玻璃對(duì)a光的折射率小于對(duì)b光的折射率
C．從該玻璃射向空氣，a光的臨界角小于b光的臨界角
D．在該玻璃中，a光的速度大于b光的速度
10．我國(guó)的光纖通信技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。光纖主要由內(nèi)芯（內(nèi)層玻璃）和外套（外層玻璃）組成。若某種光纖的內(nèi)芯在空氣中全反射的臨界角為43°（，），則下列說(shuō)法正確的是（　?。?br /> A．光纖外套的折射率比內(nèi)芯小 B．光纖外套的折射率比內(nèi)芯大
C．該種光纖內(nèi)芯的折射率約為1.5 D．該種光纖內(nèi)芯的折射率約為1.4
11．如題圖所示，光線(xiàn)由空氣射到三棱鏡左側(cè)面的A點(diǎn)，入射光線(xiàn)被約束在A點(diǎn)法線(xiàn)下方、不管入射角i取值多大，從A點(diǎn)入射的光線(xiàn)均能從三棱鏡右側(cè)面射出，不考慮光線(xiàn)在三棱鏡內(nèi)部的反射，三棱鏡折射率為，三棱鏡頂角a的取值可能是（　?。?br />
A．30° B．40° C．50° D．60°
12．如圖甲所示為某種油量計(jì)的內(nèi)部設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師在油箱的一側(cè)豎直安裝了一系列厚度相同、長(zhǎng)度不同的透明塑料板，每塊塑料板的形狀如圖乙所示，下部尖端部分截面為等腰直角三角形。把這一油量計(jì)固定在油箱內(nèi)，當(dāng)光由正上方豎直向下射入到塑料板中，從觀察窗口中可以清晰看到油量計(jì)的上表面有明、暗兩片區(qū)域。通過(guò)觀察明暗區(qū)域分界線(xiàn)的位置，便可判斷出油量的多少，（已知塑料板的折射率大于空氣折射率但小于油的折射率，空氣的折射率近似等于1），以下說(shuō)法中正確的是（　　）

A．從觀察窗口觀察到的亮區(qū)在右側(cè)，暗區(qū)在左側(cè)
B．從觀察窗口觀察到的亮區(qū)在左側(cè)，暗區(qū)在右側(cè)
C．從觀察窗口觀察到的明亮區(qū)域越大，油量越多
D．使用的塑料板折射率應(yīng)滿(mǎn)足
三、填空題
13．如圖是一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的直光導(dǎo)纖維內(nèi)芯，一單色光從左端面射入光纖，已知光纖對(duì)該單色光的折射率為n，光在真空傳播速度大小為c。則該單色光在光纖中傳播的最短時(shí)間為_(kāi)__________；若該單色光以任意不為零的入射角從左端面射入，均能在側(cè)面發(fā)生全反射，并從右端面射出，則折射率n的取值范圍是___________。

14．我國(guó)女航天員王亞平在“太空授課”中演示了一個(gè)水球?qū)嶒?yàn)：在一個(gè)水球內(nèi)注入空氣，水球里形成了一個(gè)球形氣泡，觀察到水球中的球形氣泡特別明亮，這主要是因?yàn)楣庠跉馀荼砻姘l(fā)生了全反射現(xiàn)象。如圖所示，若光在氣泡表面P點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，反射角為，則水的折射率為_(kāi)__________。已知AB間距離為d，光在空氣中傳播速度為c，則光在水中傳播的時(shí)間為_(kāi)__________。

15．光纖通信是一種現(xiàn)代化的通信手段，它可以為客戶(hù)提供大容量、高速度、高質(zhì)量的通信服務(wù)，為了研究問(wèn)題方便，我們將光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)化為根長(zhǎng)直玻璃管，如圖所示。設(shè)此玻璃管長(zhǎng)為L(zhǎng)，折射率為n。已知從玻璃管左端面射入玻璃內(nèi)的光線(xiàn)在玻璃管的側(cè)面上恰好能發(fā)生全反射，最后從玻璃管的右端面射出。設(shè)光在真空中的傳播速度為c，則光在玻璃管中的傳播速度為_(kāi)__________，光通過(guò)此段玻璃管所需的時(shí)間為_(kāi)__________。

16．某學(xué)習(xí)小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定一截面為半圓形玻璃磚的折射率n。它們用激光筆從玻璃磚一側(cè)照射，在另一側(cè)可以觀察到折射光線(xiàn)。如圖甲所示，是某次實(shí)驗(yàn)中標(biāo)注的光線(xiàn)傳播路徑，O是圓心，MN是法線(xiàn)，AO、BO分別代表兩條光線(xiàn)。改變照射角度測(cè)得多組入射角和折射角，作出的2圖象如圖乙所示。根據(jù)乙圖信息可知，光線(xiàn)___________（選填“AO”、“BO”）是入射光線(xiàn)，該透明材料的折射率n=___________。若將該材料做成長(zhǎng)200km的光導(dǎo)纖維，此激光在光導(dǎo)纖維中傳播的最長(zhǎng)時(shí)間為_(kāi)__________s。（已知光在真空中傳播速度c=3×108m/s）






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2 全反射

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