第三節光的全反射與光纖技術[核心素養·明目標]核心素養學習目標物理觀念、科學思維理解全反射現象和臨界角的概念，知道光疏介質、光密介質和發生全反射的條件.物理觀念能夠解釋全反射現象，了解全反射棱鏡.科學態度與責任掌握光導纖維的工作原理及其重要應用.知識點一光的全反射現象1．光的全反射當光從折射率較大的介質(光密介質)射入折射率較小的介質(光疏介質)時，折射角大于入射角且隨入射角增大而增大．當入射角到達一定角度，折射角變成90°，繼續增大入射角，折射角將大于90°.此時，入射光線全都被反射回折射率較大的介質中，這種現象稱為光的全反射．2．臨界角在光的全反射現象中，折射角等于90°時的入射角，記作ic且sinic＝eq\f(1,n).3．發生光的全反射的兩個必要條件(1)光線從光密介質射入光疏介質；(2)入射角等于或大于臨界角．知識點二光導纖維的工作原理1．光纖及原理光導纖維簡稱光纖，它能把光(信號)從一端遠距離傳輸到光纖的另一端，其原理就是利用了光的全反射．2．光纖的構造光纖用的是石英玻璃或塑料拉制成的細絲，光纖由纖芯和包層組成，纖芯的折射率大于包層的折射率．知識點三光纖技術的實際應用1．光纜可以用來傳送圖像，醫學上用來檢查人體消化道的內窺鏡就是利用了這種性質．2．光纖寬帶、光纖、光纖有線電視等光纖通信網絡進入千家萬戶．1．思考判斷(正確的打“√〞，錯誤的打“×〞)(1)光從空氣射入水中時可能發生全反射現象．(×)(2)光密介質，是指介質的折射率大，密度不一定大．(√)(3)魚缸中上升的氣泡亮晶晶的，是由于光射到氣泡上發生了全反射．(√)(4)光纖一般由折射率小的玻璃內芯和折射率大的外層透明介質組成．(×)2．水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下幾種方式傳播，可能發生全反射的是()A．從水晶射入玻璃 B．從水射入二硫化碳C．從玻璃射入水中 D．從水射入水晶C[發生全反射的條件之一是光從光密介質射入光疏介質，光密介質折射率較大，故只有C正確．]3．華裔科學家高錕獲得2021年諾貝爾物理獎，他被譽為“光纖通訊之父〞．光纖通訊中信號傳播的主要載體是光導纖維，它的結構如下列圖，其內芯和外套材料不同，光在內芯中傳播．以下關于光導纖維的說法中正確的選項是()A．內芯的折射率比外套的大，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全反射B．內芯的折射率比外套的小，光傳播時在內芯與外套的界面上發生全反射C．波長越短的光在光纖中傳播的速度越大D．頻率越大的光在光纖中傳播的速度越大A[光纖內芯比外套折射率大，在內芯與外套的界面上發生全反射，A對、B錯；頻率大的光波長短，折射率大，在光纖中傳播速度小，C、D錯．]考點1全反射光照到兩種介質界面處，發生了如下列圖的現象．(1)上面的介質與下面的介質哪個折射率大？(2)全反射發生的條件是什么？提示：(1)下面的介質折射率大．(2)一是光由光密介質射入光疏介質；二是入射角大于等于臨界角．1．對光疏介質和光密介質的理解(1)光疏介質和光密介質的比較：光的傳播速度折射率光疏介質大小光密介質小大(2)相對性：光疏介質、光密介質是相對的．任何兩種透明介質都可以通過比較光在其中傳播速度的大小或折射率的大小來判斷誰是光疏介質或光密介質．2．全反射規律(1)全反射的條件：①光由光密介質射向光疏介質．②入射角大于或等于臨界角．(2)全反射遵循的規律：發生全反射時，光全部返回原介質，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．3．不同色光的臨界角：不同顏色的光由同一介質射向空氣或真空時，頻率越高的光的臨界角越小，越易發生全反射．【典例1】一厚度為h的大平板玻璃水平放置，其下外表貼有一半徑為r的圓形發光面．在玻璃板上外表放置一半徑為R的圓紙片，圓紙片與圓形發光面的中心在同一豎直線上．圓紙片恰好能完全遮擋住從圓形發光面發出的光線(不考慮反射)，求平板玻璃的折射率．[思路點撥](1)由圓紙片恰好完全擋住圓形發光面的光線可確定臨界角．(2)根據sinic＝eq\f(1,n)可計算折射率．[解析]根據全反射定律，圓形發光面邊緣發出的光線射到玻璃板上外表時入射角為臨界角(如下列圖)，設為θ，且sinθ＝eq\f(1,n).根據幾何關系得：sinθ＝eq\f(L,\r(h2＋L2))而L＝R－r聯立以上各式，解得n＝eq\r(1＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(h,R－r)))eq\s\up12(2)).[答案]eq\r(1＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(h,R－r)))eq\s\up12(2))全反射定律的應用技巧(1)首先判斷是否為光從光密介質進入光疏介質，如果是，下一步就要再利用入射角和臨界角的關系進一步判斷，如果不是那么直接應用折射定律解題即可．(2)分析光的全反射時，根據臨界條件找出臨界狀態是解決這類題目的關鍵．(3)當發生全反射時，仍遵循光的反射定律和光路可逆性．(4)認真標準作出光路圖，是正確求解這類題目的重要保證．eq\o([跟進訓練])訓練角度1全反射現象的理解1．(多項選擇)一束光從某介質進入真空，方向如下列圖，那么以下判斷中正確的選項是()A．該介質的折射率是eq\f(\r(3),3)B．該介質的折射率是eq\r(3)C．該介質相對真空發生全反射的臨界角小于45°D．光線按如下列圖的方向入射，無論怎樣改變入射方向都不可能發生全反射現象BC[上面是介質，下面是真空，入射角i＝30°，折射角r＝60°，那么折射率n＝eq\f(sinr,sini)＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，應選項A錯誤，B正確；sinic＝eq\f(1,n)＝eq\f(\r(3),3)＜eq\f(\r(2),2)，那么C＜45°，應選項C正確；光線按如下列圖的方向入射，當入射角大于臨界角時，就會發生全反射現象，應選項D錯誤．]訓練角度2全反射與折射定律的綜合2．如下列圖，半圓形透明介質的橫截面，其半徑為R.一束光從半圓形透明介質的左邊緣以入射角60°射入透明介質，光束在半圓形透明介質的弧形面發生兩次反射后剛好從半圓形透明介質的另一邊緣射出．光在真空中傳播的速度為c.求：(1)半圓形透明介質的折射率；(2)光線在半圓形透明介質中傳播的時間；(3)半圓形透明介質的全反射臨界角．[解析](1)由圖中幾何關系可知，光束折射角r＝30°，由折射定律，玻璃磚的折射率n＝eq\f(sini,sinr)＝eq\r(3).(2)光線在半圓形透明介質中傳播的速度v＝eq\f(c,n)＝eq\f(c,\r(3))光線在半圓形透明介質中傳播的距離L＝3R光線在半圓形透明介質中傳播的時間t＝eq\f(L,v)＝eq\f(3\r(3)R,c).(3)由sinic＝eq\f(1,n)得ic＝arcsineq\f(\r(3),3).[答案](1)eq\r(3)(2)eq\f(3\r(3)R,c)(3)arcsineq\f(\r(3),3)考點2光導纖維的應用如下列圖是光導纖維的結構示意圖，其內芯和外套由兩種光學性能不同的介質構成，內芯對光的折射率要比外套對光的折射率高．請問：在制作光導纖維時，選用的材料為什么要求內芯對光的折射率要比外套對光的折射率高？提示：光只有滿足從光密介質射入光疏介質，才會發生全反射．而光導纖維要傳播加載了信息的光，需要所有光在內芯中經過假設干次反射后，全部到達目的地，所以需要發生全反射，故內芯對光的折射率必須要比外套對光的折射率高．1．構造及傳播原理(1)構造：光導纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑只有1～100μm，如下列圖，它是由內芯和外套兩層組成，內芯的折射率大于外套的折射率．(2)傳播原理：光由一端進入，在兩層的界面上經過屢次全反射，從另一端射出，光導纖維可以遠距離傳播光，光信號又可以轉換成電信號，進而變為聲音、圖像．2．光導纖維的折射率：設光導纖維的折射率為n，當入射角為θ1時，進入端面的折射光線傳到側面時恰好發生全反射，如下列圖，那么有：sinic＝eq\f(1,n)，n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得：sinθ1＝eq\r(n2－1).由圖可知：當θ1增大時，θ2增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角θ減小，當θ1＝90°時，假設θ＝ic，那么所有進入纖維中的光線都能發生全反射，即解得n＝eq\r(2)，以上是光從纖維射向真空時得到的折射率，由于光導纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率要比eq\r(2)大些．【典例2】如下列圖，一根長為l＝5.0m的光導纖維用折射率n＝eq\r(2)的材料制成．一束激光由其左端的中心點以45°的入射角射入光導纖維內，經過一系列全反射后從右端射出來，求：(1)該激光在光導纖維中的速度v是多大．(2)該激光在光導纖維中傳輸所經歷的時間是多少．[思路點撥](1)由光導纖維的折射率可計算臨界角．(2)光在光導纖維側面上發生全反射現象，計算出光的總路程，根據光速可求出傳播時間．[解析](1)由n＝eq\f(c,v)可得v≈2.1×108m/s.(2)由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可得光線從左端面射入后的折射角為30°，射到側面時的入射角為60°，大于臨界角45°，因此發生全反射．同理光線每次在側面都將發生全反射，直到光線到達右端面．由幾何關系可以求出光線在光導纖維中通過的總路程s＝eq\f(2l,\r(3))，因此該激光在光導纖維中傳輸所經歷的時間t＝eq\f(s,v)≈2.7×10－8s.[答案](1)2.1×108m/s(2)2.7×10光導纖維問題的解題關鍵第一步抓關鍵點關鍵點獲取信息光導纖維工作原理：全反射光束不會側漏光束在側壁發生全反射第二步找突破口“從一個端面射入，從另一個端面射出〞，根據這句話畫出入射、折射及全反射的光路圖，根據全反射的知識求解問題．eq\o([跟進訓練])3.光纖通信是一種現代化的通信手段，它可以為客戶提供大容量、高速度、高質量的通信效勞，為了研究問題方便，我們將光導纖維簡化為一根長直玻璃管，如下列圖．設此玻璃管長為L，折射率為n.從玻璃管左端面射入玻璃內的光線在玻璃管的側面上恰好能發生全反射，最后從玻璃管的右端面射出．設光在真空中的傳播速度為c，那么光通過此段玻璃管所需的時間為()A．eq\f(n2L,c)B．eq\f(n2L,c2)C．eq\f(nL,c)D．eq\f(nL,c2)A[用C表示臨界角，那么有sinic＝eq\f(1,n)，那么光在玻璃管中的傳播速度為v＝eq\f(c,n).光在沿玻璃管軸線的方向上做勻速傳播．所用時間為t＝eq\f(L,vcos\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)－ic)))＝eq\f(L,vsinic)＝eq\f(n2L,c).故A正確．]1．物理觀念：全反射現象、臨界角．2．科學思維：全反射規律．3．科學態度與責任：光纖通信.1．(多項選擇)以下事例哪些應用了光的全反射現象()A．海市蜃樓B．用三棱鏡觀察太陽光譜C．某些光學儀器中用等腰直角玻璃三棱鏡改變光路90°D．水中的魚看起來比實際的要淺AC[海市蜃樓和光學儀器中用等腰直角玻璃三棱鏡改變光路90°是利用了光的全反射現象，故A、C項正確；用三棱鏡觀察太陽光譜和水中的魚看起來比實際的要淺，都是光的折射現象，故B、D項錯誤．]2．(多項選擇)以下說法中正確的選項是()A．因為水的密度大于酒精的密度，所以水是光密介質B．因為水的折射率小于酒精的折射率，所以水對酒精來說是光疏介質C．同一束光，在光密介質中的傳播速度較大D．光疏介質和光密介質相對于折射率來確定，與密度無關BD[光在各種介質中的傳播速度和介質相對真空的折射率都是不同的．兩種介質相比較光在其中傳播速度大，而折射率小的介質叫光疏介質；光在其中傳播速度小，而折射率大的介質叫光密介質．光疏介質和光密介質與密度無關，A、C錯誤，B、D正確．]3．(多項選擇)光纖通信是一種現代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高質量的通信效勞．目前，我國正在大力建設高質量的寬帶光纖通信網絡．以下說法正確的選項是()A．光纖通信利用光作為載體來傳遞信息B．光導纖維傳遞光信號是利用光沿直線傳播的原理C．光導纖維傳遞光信號是利用光的色散原理D．目前廣泛應用的光導纖維是一種非常細的特制玻璃絲AD[光纖是利用光的全反射現象而實現光作為載體的信息傳遞，光纖是內芯折射率大于外層表皮折射率的很細的玻璃絲．故A、D正確，B、C錯誤．]4.如下列圖，口徑較大、充滿水的薄壁圓柱形淺玻璃缸底有一發光小球，那么()A．小球必須位于缸底中心才能從側面看到小球B．小球所發的光能從水面任何區域射出C．小球所發的光從水中進入空氣后頻率變大D．小球所發的光從水中進入空氣后傳播速度變大D[小球發出的光先從水中傳播，然后再射入空氣中，故我們從側面就可以看到小球，選項A錯誤；由于光從水中射入空氣中，故當入射角大于臨界角時，光會發生全反射，故球所發的光不是從水面任何區域都能夠射出的，選項B錯誤；光從水中進入空氣后頻率不變，由于折射率變小，故光