第2节　全反射　光导纤维.doc

教学内容：光的全反射【基础知识导引】1知道什么是光疏介质，什么是光密介质2理解光的全反射3理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决相关的实际问题4知道光导纤维及其应用【教材内容全解】光亮的铁球在阳光下很刺眼，将光亮铁球加在试管上夹上，放在点燃的蜡烛上熏黑，然后将熏黑的铁球浸没在盛有清水的烧杯中，这时放在清水中的铁球变得比在阳光下更加光亮，这种现象就叫做全反射现象1全反射现象：概念：光传播到两种介质的表面时，通常要同时发生反射和折射现象，若满足了某种条件，光线不再发生折射现象，而要全部返回原介质中传播的现象叫全反射现象(如图1918)2发生全反射的条件：(1)光从光密介质入射到光疏介质对于两种介质来说，光在其中传播速度较小的介质，亦即绝对折射率较大的介质，叫光密介质；而光在其中传播速度较大的介质，亦即绝对折射率较小的介质叫光疏介质光密介质和光疏介质是相对的(2)入射角等于或者大于临界角临界角C：恰好发生全反射时入射角的大小此时折射角等于903对于全反射的理解：(1)在前面的演示实验中，被蜡烛熏黑的铁球外表附着一层未燃烧完全的碳烛混合物，对于水来说是不浸润的，当该球从空气进入水中时其外表附着一层很薄的空气薄膜，当有光线透过水照射到水和空气界面时，会发生全反射现象，故看起来较光亮(2)自行车的尾灯，也是利用光的全反射的原理来制成的所以建议大家利用平时观察到的物理现象，用科学知识来解释它的原理，从而更有利于巩固物理知识4光导纤维：光导纤维可以传递光信号、图像信号(1)原理：光的全反射；(2)材料特点：有双层，外层材料的折射率比里层材料的折射率小；(3)实际应用：光纤通信、医用胃镜等5课后阅读材料：大气中的光现象蒙气差、海市蜃楼、沙漠中的蜃景现象【难题巧解点拨】例1 已知如图1919所示，介质是空气，介质的折射率为，下列说法正确的是 ( )A光线a，b都不能发生全反射B光线a，b都能发生全反射C光线a能发生全反射，光线b不能发生全反射D光线b能发生全反射，光线a不能发生全反射解析 根据发生全反射的条件来看，光必须从光密介质入射到光疏介质时才有可能发生全反射，介质对空气来说是光密介质，所以光线a可能发生全反射，介质的临界角为：，所以：，c=45注意图中光线a给出的是与界面的夹角30，而此时的入射角为6045，故光线a能发生全反射，而b光线是从空气射入介质，是从光疏介质到光密介质，当然不能发生全反射故选C点拨 主要是清楚发生全反射的两个条件：从光密介质到光疏介质和入射角必须大于等于临界角例2 如图1920所示，一束光线射到透明介质的A点，入射角为i，则 ( )A当i足够大时，在A点将发生全反射B当i足够大时，从球内向外射出时将发生全反射C无论i多大，在A点都不会发生全反射D无论i多大，从球内向外射出时都不会发生全反射解析 发生全反射的条件有两个：(1)光线从光密介质射向光疏介质；(2)入射角大于或等于临界角因此光线在A点从空气进入介质球时肯定不会发生全反射光线从介质球向外射出时的入射角i是随着i的增大而增大的因此不少人认为B是正确的，其实，虽然随着i的增大，i也在增大，但是i的增大只是逐步接近临界角C，如图1921所示，对于球上任意一点，球面法线一定过圆心O，设r为光线从A点射入时的折射角，i为从B点射出时的入射角，它们为等腰三角形ABO的两底角，因此有ir，根据折射定律，即随着i的增大，r增大，但显然r不可能大于临界角C，故i也不可能大于临界角，即光线从B点射出时，也不可能发生全反射答案 C、D点拨 光线在界面上发生折射和反射现象时，首先要搞清楚光密介质和光疏介质，在介质表面；折射和反射现象是同时发生的，尤其要注意光的多次反射问题；另外几何知识中角度的关系也是光学应用中的一个重点和难点例3 在水面下方2m处放一个小灯泡，在水面上能看见半径多大的光亮圈?水的折射率为解析 在水面上能看见光亮圈是水面下小灯泡发出的光穿过水面的光如果水面下的光射向水面时，入射角大于等于临界角时，则光不能穿过水面，如图1922所示，C为临界角，在AB区域内有光穿过水面，水面上能看见光亮圈的半径为：2.27m答案 227m点拨 本题看似求光圈的半径，其实是一道很典型的光的全反射问题光要在界面上发生全反射，其必要条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角必须大于临界角1本题中如果用不透明的纸片把以O为圆心，AO为半径的圆形水面遮住，则点光源S发出的光线就射不出水面，整个水面就都是暗的2如果发现光圈的半径变大或者变小，则水面下的点光源S就相应的下降和上升，请你思考一下，为什么?【拓展延伸探究】课题：研究在水面下方观察水面上方时看到的现象目的：通过本题来研究(1)介质对光的偏折的影响；(2)不同频率的光在同一种介质中的偏折关系问题：1为什么在水下时观察到的天空都集中在顶角为97的倒立圆锥底面“底洞”里?2为什么“洞”外是水底的景象?3为什么“洞”边呈彩色，且彩色的顺序为内紫外红?方法：利用光的折射知识、全反射知识、光的色散知识来解释研究过程：1如图1923所示，水面外的景物射向水面的光线，凡是入射角0i90时，都能折射入水，被人看到根据折射定律，在i90的临界条件下，因为水的临界角，所以倒立圆锥角的顶角为2水底发出的光线，通过水面发射成虚像，也可以在水底观察到但是由于“洞”内有很强的折射光，所以只有在“洞”外才能看到反射光(尤其是全反射光)造成的水底景象如图1924所示3光线从空气进入水中时要发生色散现象：红光的折射率最小，偏向角最小；紫光的折射率最大，所以偏向角最大因为眼睛感觉光线是沿着直线传播的，所以在水中看到的彩色“洞”边，是内紫外红如图1925所示【课本习题解答】1答：光密、光疏，入射角大于临界角2答：光疏3答：设由玻璃射入空气时的临界角是，由可得：，同理可得由金刚石射入空气时的临界角为4答：光由水进入空气时的临界为48.5，此时光在空气中的折射角为90，由光路的可逆性知道光线在水中的折射角最大为48.55答：由公式：可以求得介质的临界角为：C=456答：光路图如图1926所示，光线的入射角大约为30光线的入射角约等于临界角48.5，光线的入射角为约为60【同步达纲练习】1如图1927所示，ABC是一个透明的薄壁容器，内装液体，当光垂直射向AC面时，光在AB面恰好发生全反射，求液体的折射率?2透明薄壁圆筒形水槽中装有水，置于水平桌面上，如图1928所示，桶内有一个能绕O转动的平面镜，一束白光水平射向平面镜，恰好使光垂直射出水面，设光从水射向空气时红光的临界角为，紫光的临界角为，则当镜面从图示位置发生转动时，恰好无光射出水面的是( )A顺时针转过 B逆时针转过C顺时针转过 D逆时针转过3如图1929所示，足够大的平面镜与水平面成40，在镜面一侧水下某处有一个点光源S，要使从S发出的光线射到平面镜上，水中光线与竖直方向的夹角的取值范围是多少?已知水的折射率为4一个点光源S悬于盛有水的容器的上方，一平面镜平放在水底，如图1930所示，从挨近点光源的地方朝下看，看到点光源的两个像：一个是水面反射成的像，另一个是水底平面镜反射成的像如点光源到水底的距离为16cm，水的折射率为，试求两个像的距离，并作出光路图参考答案【同步达纲练习】1n13(点拨：由公式：很容易就能求出n的大小光线垂直入射时，光的传播方向不发生变化，但是并不表示就不发生折射现象)2B(点拨：当入射光的方向不变，而是平面镜发生旋转时，平面镜转过，入射角转过角，而反射光线转过2角；另外由于红光和紫光的频率不同所以它们的折射率不同，临界角也不同，紫光的折射率大，所以紫光的临界角小，紫光更容易发生全反射)3即322i45，i太大有全反射的可能，水对空气的临界角，iC所以水中光线与竖直方向的