第三节　光的全反射与光纤技术

第三节光的全反射与光纤技术学

习

目

标思

维

导

图1.知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念．2.理解全反射的条件，能进行相关的计算．3.了解光导纤维的工作原理及其在实际中的应用．4.认识全反射棱镜．01.知识点一03.随堂自主检测04.课时素养评价22内容索引02.知识点二01.知识点一知识点一光的全反射现象【情境导学】当光从水中射向与玻璃的交界面时，只要入射角足够大就会发生全反射，这种说法正确吗？为什么？提示：不正确．要发生全反射必须是光从光密介质射向光疏介质，而水相对玻璃是光疏介质，所以不管入射角多大都不可能发生全反射．【知识梳理】1．全反射：入射光线全部被反射回折射率________的介质中，这种现象称为光的全反射．2．临界角：折射角等于90°时的________称为临界角．3．光的全反射的两个必要条件(1)光线从________介质射入光疏介质．(2)入射角________或大于临界角．状元随笔光疏介质和光密介质具有相对性，例如酒精对水是光密介质，但对水晶则是光疏介质．4．临界角的定义式：sinic＝________．较大入射角光密等于

【重难突破】1．对光疏介质和光密介质的理解(1)光疏介质和光密介质的比较

光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大(2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的．任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质．(3)光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小．例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质．2．对全反射现象的理解(1)全反射遵循的规律：发生全反射时，光全部返回原介质，入射光与反射光遵循光的反射定律．(2)从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大．同时折射光线强度减弱，能量减小，反射光线强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光线强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量．

(1)先完成光路图并求玻璃砖的折射率；

(2)求光线在玻璃砖中的传播时间(光在真空中的速度用c表示)．

【变式训练1】如图所示，三棱镜的横截面为直角三角形ABC，∠A＝30°，∠B＝60°.一束平行于AC边的光线自AB边的P点射入三棱镜，在AC边发生反射后从BC边的M点射出．若光线在P点的入射角和在M点的折射角相等．(1)求三棱镜的折射率．

解析：光路如图所示，图中N点为光线在AC边发生反射的入射点．设光线在P点的入射角为i、折射角为γ，在M点的入射角为γ′、折射角依题意得也为i，且i＝60°

①由折射定律得sini＝nsinγ

②nsinγ′＝sini

③由②③式得γ＝γ′

④

(2)在三棱镜的AC边是否有光线透出？写出分析过程．(不考虑多次反射)答案：三棱镜的AC边没有光线透出，分析见解析解析：设在N点的入射角为i″，由几何关系得i″＝60°

⑩此三棱镜的全反射临界角满足nsinθ＝1

⑪由⑨⑩⑪式得i″>θ，此光线在N点发生全反射，三棱镜的AC边没有光线透出．02.知识点二【知识梳理】1．光导纤维的工作原理：光导纤维就是________原理的一个重要应用．2．光导纤维的构造：由纤芯和包层组成，纤芯的折射率________包层的折射率，以合适角度进入光纤的光能够在纤芯和包层的界面上发生________．3．光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等．4．光纤通信的主要优点是传输容量________、衰减________、抗干扰性强．状元随笔发生全反射时，反射率很高，几乎达到100%，比平面镜的反射率高出了很多．全反射大于全反射大小【重难突破】1．构造及传播原理(1)构造：光导纤维是石英玻璃或塑料拉制成的细丝，直径在几微米到一百多微米之间，如图所示，它是由纤芯和包层组成，纤芯的折射率大于包层的折射率．(2)传播原理：光由一端进入，在两层的界面上经过多次全反射，从另一端射出，光导纤维可以远距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图像．

3．光纤的应用携带着数码信息、电视图像、声音等的光信号沿着光纤传输到很远的地方，实现光纤通信．4．光纤通信的优点光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强．例2据报道，光纤通信速率创造出了新的纪录，每秒可以传达1.84Pbit，这相当于每秒可以传输约236个1TB硬盘的数据．目前正常的网速想要传输1TB硬盘的数据，需要花费四到八小时以上，如果这项技术能大规模商用，网速将得到大幅提升．光纤通信中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图甲所示．一束激光由光纤纤芯左端的点O以α＝60°的入射角射入置于真空中的直线光纤纤芯，恰好在纤芯的侧面(侧面与过O的法线平行)A点发生全反射，如图乙所示．已知纤芯的长度为L，光在真空中的传播速度为c，

答案：D

【变式训练2】

(多选)光纤通信采用的光导纤维由纤芯和包层组成，如图所示，其中纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2，下列说法正确的是(

)A．纤芯和包层的折射率应满足n1＞n2B．纤芯和包层的折射率应满足n1＜n2C．从左端面入射的光线，其入射角θ必须大于某值，全部光才能被传导D．从左端面入射的光线，其入射角θ必须小于某值，全部光才能被传导答案：AD解析：光纤通信是利用光的全反射原理来工作的，光只有从光密介质进入光疏介质中时，才能发生全反射，因而纤芯和包层的折射率应满足n1＞n2.从题图中看由左端面入射的光线，其入射角越小，进入介质后，在纤芯与包层的界面上入射角越大，越易发生全反射，故A、D正确．03.随堂自主检测1．关于全反射，下列叙述正确的是(

)A．发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱B．光从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象C．光从光密介质射向光疏介质时，可能不发生全反射现象D．光从光疏介质射向光密介质时，可能发生全反射现象答案：C解析：发生全反射时折射光线的能量为零，折射光线消失，所以A错误；发生全反射的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角，二者缺一不可，所以B、D错误，C正确．2．(多选)如图所示，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(

)A．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．若光线bO能发生全反射，那么光线cO一定能发生全反射C．若光线bO能发生全反射，那么光线aO一定能发生全反射D．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答案：ACD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，A正确；若bO光线能发生全反射，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的入射角可能大于临界角，也可能小于临界角，因此cO不一定能发生全反射，C正确，B错误；若光线aO恰能发生全反射，光线bO和cO都不能发生全反射，但bO的入射角更接近临界角，所以光线bO的反射光线较光线cO的反射光线强，即bO的反射光线亮度较大，D正确．3．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项正确．4．如图是网络信号在一段光纤中传播的示意图，则下列说法正确的是(

)A．纤芯的折射率应小于包层的折射率，才能使光信号在二者之间的界面处发生全反射B．增大左端面的入射角θ，包层与纤芯之间的界面处发生全反射的临界角随之增大C．增大左端面的入射角θ，左端面的折射角随之增大D．增大左端面的入射角θ，纤芯的折射率随之增大答案：C

04.课时素养评价221．一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，下图中描述的光路可能正确的是(

)答案：A解析：光从空气进入玻璃时，在分界面上会发生折射，且折射角小于入射角，B、D错误；光从玻璃进入空气时折射角应大于入射角，C错误；光从玻璃射向空气，若满足入射角大于等于临界角的情况，则会发生全反射，A正确．2．(多选)当光从光密介质射向光疏介质时(

)A．反射光线的强度随入射角的增大而减小B．折射光线的强度随入射角的增大而减小C．当入射角等于临界角时，折射光线的强度等于零D．当入射角等于零时，反射光线的强度等于零答案：BC解析：当光从光密介质射向光疏介质时，反射光线的强度随入射角的增大而增大，折射光线的强度随入射角的增大而减小，当入射角等于临界角时，光线恰好发生全反射，故折射光线的强度等于零，B、C正确．3．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，其框外光线如图所示．方框内有两个折射率n＝1.5的全反射玻璃棱镜．下列选项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(

)答案：B解析：四个选项的光路图如图所示．可知B正确．4．酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到一定距离之外，地面显得格外明亮，仿佛是一片水面，似乎还能看到远处车、人的倒影，但当你靠近“水面”时，它也随你靠近而后退．对此现象的解释正确的是(

)A．出现的是“海市蜃楼”，是由于光的折射造成的B．“水面”不存在，是由于酷热难耐，人产生的幻觉C．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率增大，发生全反射D．太阳辐射到地面，使地表温度升高，折射率减小，发生全反射答案：D解析：酷热的夏天地面温度高，地表附近空气的密度小，空气的折射率下小上大，远处车、人反射的太阳光由光密介质射入光疏介质发生全反射．D正确．5．关于光纤的说法正确的是(

)A．光纤是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大B．光纤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．光纤是非常细的特制玻璃丝，由内芯和包层两层组成，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，光纤必须呈笔直状态，因为弯曲的光纤是不能传导光的答案：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，且由内芯和包层两层组成，内芯的折射率比包层的大；载有声音、图像及各种数字信号的激光传播时，在内芯和包层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；在实际应用中，光纤是可以弯曲的．

答案：C

7．图为一固定的半圆形玻璃砖横截面，O点为圆心，OO′为直径MN的垂线．一足够大的光屏PQ紧靠玻璃砖右侧且垂直于MN.由A、B两种单色光组成的一束光沿半径方向射向O点，入射光线与OO′夹角θ较小时，光屏NQ区域出现两个光斑，逐渐增大θ角，当θ＝α时，光屏NQ区域A光的光斑消失，继续增大θ角，当θ＝β时，光屏NQ区域B光的光斑消失，

答案：B

8.(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的分界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ.光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则(

)A.只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象B．只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象C．不管入射角多大，光线在界面Ⅰ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Ⅱ上都不可能发生全反射现象答案：CD解析：在界