第4章,光的折射與全反射,第2講 光的全反射 光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用,目標(biāo)定位 1.知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念. 2.理解全反射的條件，能計(jì)算有關(guān)問(wèn)題和解釋相關(guān)現(xiàn)象. 3.了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光導(dǎo)纖維在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用. 4.知道全反射棱鏡的原理,欄目索引 CONTENTS PAGE,一、全反射及其產(chǎn)生條件,1全反射：光從某種介質(zhì)入射到空氣中時(shí)，折射角 入射角，當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí)， 光線完全消失，全部光線都被反射回介質(zhì)內(nèi)這種現(xiàn)象稱(chēng)為全反射現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)全反射,大于,折射,2臨界角：剛好發(fā)生全反射(即折射角變?yōu)?0)時(shí)的 . 公式：sin C,入射角,3光疏介質(zhì)和光密介質(zhì) 折射率較 的介質(zhì)叫做光疏介質(zhì)，折射率較 的介質(zhì)叫做光密介質(zhì) 4發(fā)生全反射的條件：光由 介質(zhì)射入 介質(zhì)，且入射角 臨界角,小,大,光密,光疏,大于等于,想一想 當(dāng)光從水中射入玻璃的交界面時(shí)，只要入射角足夠大就會(huì)發(fā)生全反射，這種說(shuō)法正確嗎？為什么？ 答案 不正確要發(fā)生全反射必須光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)而水相對(duì)玻璃是光疏介質(zhì)，所以不管入射角多大都不可能發(fā)生全反射,二、對(duì)全反射現(xiàn)象的解釋,1全反射現(xiàn)象：海水的浪花呈白色、魚(yú)缸中上升的氣泡亮晶晶，在沙漠里看到的蜃景、炎熱夏天的路面格外明亮光滑 2全反射棱鏡 全反射棱鏡的截面為 三角形它的反射性能比鍍銀的平面鏡 ，精密的光學(xué)儀器用它代替鍍銀平面鏡來(lái)反射光線,等腰直角,更好,三、光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用,1光導(dǎo)纖維的工作原理 (1)光導(dǎo)纖維：把石英玻璃拉成直徑幾微米到幾十微米的細(xì)絲，然后再包上折射率比它 的材料，就制成了光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖 (2)傳導(dǎo)原理：光纖一般由折射率較 的玻璃內(nèi)芯和折射率較 的外層透明介質(zhì)組成光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳播時(shí)，由光密介質(zhì)(n1)入射到光疏介質(zhì)(n2)，若入射角 ，光就會(huì)在光纖內(nèi)不斷發(fā)生全反射,小,高,低,iC,2光纖通信 光導(dǎo)纖維具有質(zhì)地輕、彎曲自如、傳光效率高、抗機(jī)械振動(dòng)、耐腐蝕性好、能量損耗 、抗干擾能力 、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，光纖通信的容量比微波通信高103104倍,小,強(qiáng),一、對(duì)全反射的理解,1對(duì)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解 (1)光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對(duì)而言的，并沒(méi)有絕對(duì)的意義 (2)光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中傳播速度小 (3)光若從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角 (4)光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來(lái)說(shuō)的，并不是它的密度大小,2全反射 (1)臨界角：折射角為90時(shí)的入射角稱(chēng)為全反射的臨界角，用C表示，sin C . (2)全反射的條件：光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角大于等于臨界角 (3)全反射遵循的規(guī)律：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，由于不存在折射光線，光的折射定律不再適用,例1 關(guān)于全反射，下列敘述中正確的是( ) A發(fā)生全反射時(shí)仍有折射光線，只是折射光線非常弱 B光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，一定會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象 C光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，可能不發(fā)生全反射現(xiàn)象 D光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，可能發(fā)生全反射現(xiàn)象,解析 發(fā)生全反射時(shí)折射光線的能量為零，折射光線消失，選項(xiàng)A錯(cuò)誤； 發(fā)生全反射的條件是光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角，二者缺一不可，選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤選項(xiàng)C正確 答案 C,針對(duì)訓(xùn)練 某種介質(zhì)對(duì)空氣的折射率是 ，一束光從該介質(zhì)射向空氣，入射角是60，則下列光路圖中正確的是(圖中為空氣，為介質(zhì))( ),答案 D,二、全反射的應(yīng)用,1全反射棱鏡 (1)特點(diǎn)： 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)生全反射，與平面鏡相比，它的反射率更高 反射面不必涂敷任何反光物質(zhì)，反射時(shí)失真小 (2)全反射棱鏡改變光路的兩種常見(jiàn)情況如圖1甲、乙所示,圖1,2光導(dǎo)纖維 (1)原理：內(nèi)芯的折射率比外套大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射 (2)優(yōu)點(diǎn)：容量大，衰減小，抗干擾性強(qiáng)等 (3)應(yīng)用：光纖通訊，醫(yī)學(xué)上的內(nèi)窺鏡等,例2 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖2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(shuō)法正確的是( ) A內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射 B內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射,C內(nèi)芯的折射率比外套的小，光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生折射 D內(nèi)芯的折射率與外套的相同，外套的材料有韌性，可以起保護(hù)作用 解析 光導(dǎo)纖維的內(nèi)芯折射率大于外套的折射率，光在由內(nèi)芯射向外套時(shí)，在其界面處發(fā)生全反射，從而使光在內(nèi)芯中傳播，A對(duì) 答案 A,三、全反射的定量計(jì)算,應(yīng)用全反射解決實(shí)際問(wèn)題的基本方法： 1確定光是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)還是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì) 2若光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，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(如三角函數(shù)、反射定律等)進(jìn)行判斷推理，運(yùn)算及變換,例3 一厚度為h的大平板玻璃水平放置，其下表面貼有一半徑為r的圓形發(fā)光面在玻璃板上表面放置一半徑為R的圓紙片，圓紙片與圓形發(fā)光面的中心在同一豎直線上已知圓紙片恰好能完全遮擋住從圓形發(fā)光面發(fā)出的光線(不考慮反射)，求平板玻璃的折射率 解析 如圖，從圖形發(fā)光面邊緣的A點(diǎn)發(fā)出的一條光線射到玻璃上表面A點(diǎn)恰好發(fā)生全反射，則,1光從介質(zhì)a射向介質(zhì)b，如果要在a、b介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，那么必須滿足的條件是( ) Aa是光密介質(zhì)，b是光疏介質(zhì) B光在介質(zhì)a中的速度必須大于在介質(zhì)b中的速度 C光的入射角必須大于或等于臨界角 D光的入射角必須小于臨界角,對(duì)全反射的理解,AC,2光在某種介質(zhì)中的傳播速度是1.5108 m/s，光從該介質(zhì)射向空氣時(shí)( ) A介質(zhì)的臨界角是30 B大于或等于30的所有角都是臨界角 C入射角大于或等于30時(shí)都能發(fā)生全反射 D臨界角可能是60L,AC,全反射的應(yīng)用,3.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3所示方框內(nèi)有兩個(gè)折射率n1.5的玻璃全反射棱鏡，下圖給出了兩棱鏡四種放置方式的示意圖其中能產(chǎn)生圖中效果的是( ),圖3,解析 四個(gè)選項(xiàng)產(chǎn)生光路效果如圖所示：,由圖可知B項(xiàng)正確 答案 B,4.圖示4為一光導(dǎo)纖維(可簡(jiǎn)化為一長(zhǎng)玻璃絲)的示意圖，玻璃絲長(zhǎng)為L(zhǎng)，折射率為n，AB代表端面已知光在真空中的傳播速度為c. (1)為使光線能從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑?到另一端面，求光線在端面AB上的入射角應(yīng)滿足 的條件；,圖4,解析 (1)設(shè)光線在端面AB上C點(diǎn)(如圖)的入射角為i，折射角為r，由折射定律有 sin insin r 設(shè)該光線射向玻璃絲內(nèi)壁D點(diǎn)的入射角為，為了使該光線可在此光導(dǎo)纖維中傳播，應(yīng)有 式中是光線在玻璃絲內(nèi)發(fā)生全反射的臨界角，它滿足nsin 1 由幾何關(guān)系得r90,(2)求光線從玻璃絲的AB端面?zhèn)鞑サ搅硪欢嗣嫠璧淖铋L(zhǎng)時(shí)間,