1、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，能判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
2、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，折射光完全消失，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 .1n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，抗干扰能力强，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逐渐 增大入射角， 观察反射光线和折射光 线的变化答案 由实验可以看到，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
3、直边上折射到空气中，一部分光反射回玻璃砖内，逐渐增大入射角，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，折射光完全消失，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绝对折射率都大于 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 .1n(2)全反射发生的条件光从光密介质射入光疏介质入射角大于或等于临界角(3)全反射遵循的规律折射角随着入射角的增大而增大，折射角增大
4、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强，亮度增强当入射角增大到某一角度(即临界角) 时，折射光线完全消失 (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伸思考为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？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别明亮二、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
5、机注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 22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
6、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、医学上的内窥镜延伸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1sin C 2料的折射率要大于 .2一、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 4A假若三条光线中有一条在 O 点发生了全反射，那一定是 aO 光线B假若光线 bO 能发生全反射，那么光线 cO 一定能发生全
7、反射C假若光线 bO 能发生全反射，那么光线 aO 一定能发生全反射D假若光线 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 生全反射的可能如果只有一条光线发生了全反射，那一定是aO 光线，因为它的入射角最大，所以 选项 A 对假若光 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 一定能发生全反射，光线 cO 的
8、入射角可能大于或等于临界角，也可能小于 临界角，因此，cO 光线不一定能发生全反射所以选项 B 错， C 对假若光 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 ，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 的43值图 5解析 当光线在水面发生全反射时
9、，有sin C1n当光线从左侧射入时，由折射定律有nsin sin 2 C联立以上两式，代入数据可得sin 73答案 73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 6A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，可以起保护作用解析 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
10、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 n1.5 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 BError!全 反 射1(对全反射的理解)光从介质 a 射向介质 b，如果要在 a、b 介质的分界面上发生全反射，那么必须满足的条件是( )Aa 是光密介质，b 是光疏介质B光在介质 a 中的速度必须大于在介质 b 中的速度C光的入射角必须大于或等于临界角D光的入射角必须小于临界角
11、答案 AC2(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，所以它比普通电线容量大B光导纤维是非常细的特制玻璃丝，但导电性能特别好，所以它比普通电线衰减小C光导纤维是非常细的特制玻璃丝，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，光导纤维必须呈笔直状态，因为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
12、中，光纤是可以弯曲的所以答案是 C.3(全反射的理解)(2014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，如果入射角大于 临界角， 则发 生全反射；如果入射角小于临界角，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 是平面平行的透明玻璃砖， AB 面和 CD 面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界
13、面和界面，光线从界面射入玻璃砖，再从界面射出，回到空气中，如果改变光到达界面时的入射角，则( )图 8A只要入射角足够大，光线在界面 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 上就可能发生全反射现象C不管入射角多大，光线在界面 上都不可能发生全反射现象D不管入射角多大，光线在界面 上都不可能发生全反射现象答案 CD解析 在界面：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：光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但是，由于界面和界面平行，光由界面进入玻璃后再到达界面 ，在界面上的入射角等于在界面上的折射角，因此入
14、射角 总是小于临界角，因此也不会发生全反射现象，选项D 也正确题组一 全反射现象及理解1以下哪些现象是由光的全反射造成的( )A在岸上能看见水中的鱼B夜晚，湖面上映出了岸上的彩灯C夏天，海面上出现的海市蜃楼D水中的气泡看起来特别明亮E用光导纤维传输光信号答案 DE2下列说法正确的是( )A因为水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介质B因为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质C同一束光，在光密介质中的传播速度较大D同一束光，在光密介质中的传播速度较小答案 BD解析 本题考查对光疏介质和光密介质的理解因 为水的折射率小于酒精的折射率，所以水对酒精来说是光疏介质；由 v 可知，光在
15、光密介 质中的 传播速度较小cn3关于全反射，下列说法中正确的是( )A发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线B光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射C光线从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射D水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是因为一部分光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射答案 CD解析 光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度后，折射光线完全消失，只剩下反射光线的现象叫全反射，故 A、B 错误，C 正确；光从水或玻璃射向气泡时，一部分光线在界面发生了全反射，即反射光增 强，透射光减弱，就使气泡看起来特 别亮，D 正
16、确4光线从折射率为 的介质中射向空气，如果入射角为 60，如图所示光路可能的是( )2答案 C解析 根据 sin C 可求出临界角为 45，由于入射角大于临界角， 则必定发生全反射，因此1n只有反射光线而无折射光线5一束光从空气射向折射率为 n 的某种玻璃的表面，如图 1 所示，i 表示入射角，r 表2示折射角，则( )图 1A当 i45时，会发生全反射现象B无论入射角 i 是多大，折射角 r 都不会超过 45C欲使折射角 r30 ，光线应以 i45的角度入射D当 tan i 时，反射光线跟入射光线恰好互相垂直2答案 BC解析 光从空气(光疏介质)向玻璃(光密介质) 中射入时，无论 i 多大，
17、都不会 发生全反射现象；当 i90时由 n 得 sin r ，即 r45 ，当 i 变小时，r 变小，即 r45；当 r30sin isin r sin in 22时，则 sin in sin r ，所以 i45；当 tan i 时，由 n 知，r90i，则此时反22 2 sin isin r 2射光线与折射光线互相垂直6如图 2 所示，一束平行光从真空中垂直射向一块半圆形的玻璃砖的平面界面，下列说法正确的是( )图 2A只有圆心两侧一定范围内的光线不能通过玻璃砖B只有圆心两侧一定范围内的光线能通过玻璃砖C通过圆心的光线将沿直线穿过玻璃砖而不发生偏折D圆心两侧一定范围外的光线将在曲面上产生全反
18、射答案 BCD解析 垂直射向界面的光线不偏折，因而光束沿直 线平行射到半 圆面上，其中通 过圆心的光线将沿直线穿过而不发生偏折，入射角 为零由 圆心向外的光 线，在半圆面上进入真空时的入射角逐渐增大并趋近 90角，折射角一定大于入射角，所以圆心两侧一定范围外的光线将在半圆面上发生全反射题组二 全反射的应用7下列选项为光线由空气进入全反射玻璃棱镜再由棱镜射入空气的光路图可以发生的是( )答案 A解析 光垂直等腰直角三角形的某直角边射入玻璃棱镜时，在斜边发生全反射，故 A 正确8光导纤维由折射率为 n1 的材料制成内芯，在外层包上折射率为 n2 的外套，光线在内芯与外套的界面上发生全反射下列说法中
19、正确的是( )A内芯和外套的折射率应满足 n1n2B内芯和外套的折射率应满足 n1n2C从左端面入射的光线，其入射角必须大于某值，光才能被传导D从左端面入射的光线，其入射角必须小于某值，光才能被传导答案 AD解析 光导纤维内芯的折射率要大于外套的折射率，这样 才能使光线发生全反射，但在界面上要发生全反射还需要在界面上的入射角大于或等于临界角，由几何关系知，光线在左端面的入射角越大，在界面处的入射角就越小9.自行车尾灯采用了全反射棱镜的原理，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自行车尾灯上，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车尾灯由透明介质做成，其外形
20、如图 3 所示下列说法中正确的是( )图 3A汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射B汽车灯光应从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射C汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射D汽车灯光应从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射答案 B10.某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率开始玻璃砖的位置如图 4 中实线所示，使大头针 P1、P 2 与圆心 O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心 O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察 P1、P 2 的像，且使P2 的像挡住 P1 的像当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失此时只须测
21、量出_，即可计算出玻璃砖的折射率请用你的测量量表示出折射率 n_.图 4答案 玻璃砖直径边绕 O 点转过的角度 1sin 解析 若半圆形玻璃砖转过 角时在半 圆形玻璃砖直径边一侧恰好看不到 P1、P2 的像，那么此时恰好发生了全反射如图所示，过 P1、P2 的光线在玻璃砖内的入射角为 ，在空气中折射角为 90，根据折射定律得 n ，只要测出 ，就可求出玻璃砖的折射率sin 90sin 1sin 题组三 综合应用11由折射率 n 的透明物质制成的三棱柱，其横截面如图 5 中ABC 所示，一光束 SO2以 45的入射角从 AB 边射入，在 AC 边上恰好发生全反射，最后垂直 BC 边射出，求：图
22、5(1)光束经 AB 面折射后，折射角的大小(2)ABC 中 A 和B 的大小答案 (1)30 (2)75 60解析 (1)根据折射定律 nsin 1sin 2代入数据得 2 30(2)作光路图如图所示，在 AC 面上光线正好发生全反射，入射角 sin 1 ，1451n 22根据几何关系，可以求得A75，B60.12一玻璃立方体中心有一点状光源今在立方体的部分表面镀上不透明薄膜，以致从光源发出的光线只经过一次折射不能透出立方体，已知该玻璃的折射率为 ，求镀膜的面积与2立方体表面积之比的最小值答案 4解析 如图所示，考虑从玻璃立方体中心 O 点 发出的一条光线，假设它斜射到玻璃立方体上表面发生折射根据折射定律有nsin sin 式中，n 是玻璃的折射率，入射角等于 ， 是折射角现假设 A 点是上表面面积最小的不透明薄膜边缘上的一点由题意知，在 A 点刚好发生全反射，故A 4设线段 OA 在立方体上表面的投影 长为 RA，由几何关系有sin A RAR2A a22由题给数据得RA a2由题意知，上表面所镀的面积 最小的不透明薄膜应是半径 为 RA的圆所求的镀膜面积 S与玻璃立方体的表面积 S 之比为 SS 6R2A6a2由得 .SS 4
