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1、 一、全反射的理解 1.光疏介质和光密介质的理解，不同介质的折射率不同，我 们把折射率较小的介质叫做光疏介质，折射率较大的介质叫 做光密介质. (1)对光路的影响 根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质(例如由空气射入 水)时，折射角小于入射角；光由光密介质射入光疏介质(例 如由水射入空气)时，折射角大于入射角. (2)光疏介质和光密介质的比较 (3)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定谁是光 疏介质或光密介质. 2.全反射现象 光由光密介质射入到光疏介质中时，折射角大于入射角，当 入射角增大到一定程度时，折射光线完全消
2、失，全部光线都 被反射回原介质，这种现象称为全反射现象，简称全反射. (1)全反射的条件 光由光密介质射向光疏介质. 入射角大于或等于临界角. (2)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，由于不存在折射光线，光的折射定律不再适用. (3)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, 即折射光线能量减小,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. (4)临界角 定义 刚好发生全反射(即折射角为90)时的入射角称为全反射的 临
3、界角，用C表示. 表达式 光由折射率为n的介质射向真空或空气时，若刚好发生全反 射，则折射角恰好等于90， 不同色光的临界角：不同颜色的光由同一介质射向空气或 真空时，频率越高的光的临界角越小，越易发生全反射. (1)光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而 言的，只对一种介质，无法确定它是光疏介质还是光密介质. (2)分析光的全反射时，关键是根据临界条件画出恰好发生全 反射的光路图，再利用几何知识分析边角关系. (3)当发生全反射时，仍遵循光的反射定律及光的可逆性. 【典例1】(2011新余高二检测)如图所示abc是一块用折射 率n=2的玻璃制成的透明体的横截面，ab是半径为R的圆弧， ac边
4、与bc边垂直，aOc=60.当一束平行黄色光垂直照到ac 上时，ab部分的外表面只有一部分是黄亮的，其余是暗的.求 黄亮部分的弧长为多少？ 【解题指导】解答本题时可按以下思路分析： 【标准解答】假定光线MN射到ab界面上时恰好发生了全反 射，则MN上方的光线一定在界面ab上发生了全反射，因此只 有射到界面Nb上的光线才能射出玻璃，界面Nb部分是亮的. 由sinC= ，得C=30. 由几何关系知=30，所以弧Nb的长度： 答案： R 【规律方法】解决全反射问题的一般方法： (1)确定光是从光密介质进入光疏介质. (2)应用sinC= 确定临界角. (3)根据题设条件，画出入射角等于临界角的临界光
5、路图. (4)运用几何关系或三角函数关系以及反射定律等，进行分 析、判断、运算解决问题. 【变式训练】(2011青岛高二检测)半径为R的 透明圆柱体 固定于地面上，透明体对红光的折射率为n=2，如图所示今 让一束平行于地面的红光射向圆柱体左侧，经折射红光照射 到右侧地面上求圆柱体右侧地面上的黑暗部分长度. 【解析】光线从圆柱体射出的临界角满足 sinC= 所以C=30 地面上黑暗部分如图中阴影所示，其长度为 l= 二、全反射的应用 1.全反射棱镜 用玻璃制成的截面为直角三角形的棱镜，其临界角约为42 ，当光线垂直于直角边或垂直于斜边射入后，在下一个界面 处的入射角为45，由于大于临界角，光在该
6、处发生全反射 ，若光垂直于直角边射入，在斜边处发生一次全反射后，从 另一直角边射出，光的传播方向改变90，若光垂直于斜边 射入棱镜，在两个直角边处各发生一次全反射，光的传播方 向改变180. 2.光导纤维 (1)构造及传播原理 光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1 m100m 左右，如图所示，它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率 大于外套的折射率，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、图象.如果把许多(上万 根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维按严格相同的次序排 列.就可以传播图象. (2)光导纤
7、维的折射率 设光导纤维的折射率为n,当入射角为1时，进入端面的折射 光线传到侧面时恰好发生全反射，如图所示，则有： 由图可知：当1增大时，2增大，而从纤维射向空气中光 线的入射角减小，当1=90时，若=C，则所有进入纤 维中的光线都能发生全反射，即解得n= ，以上是光从纤维 射向真空时得到的折射率，由于光导纤维包有外套，外套的 折射率比真空的折射率大，因此折射率要比 大些. 分析光的全反射问题，关键是根据临界条件画 出恰好发生全反射的光路图，再利用几何知识分析边角关 系，比较其他光线是否发生全反射，同时结合临界角与折射 率的关系sinC= 解决. 【典例2】（2011海南高考）一 赛艇停在平静
8、的水面上， 赛艇前 端有一标记P离水面的高度为h1= 0.6 m，尾部下端Q略高于水面；赛 艇正前方离赛艇前端s1=0.8 m处有 一浮标，示意如图.一潜水员在浮 标前方s2=3.0 m处下潜到深度为h2=4.0 m时，看到标记刚好被 浮标挡住，此处看不到船尾端Q；继续下潜h=4.0 m，恰好 能看见Q.求： (1)水的折射率n； (2)赛艇的长度l.（可用根式表示） 【解题指导】解答本题可按以下思路分析: (1)对波形图的认识振幅、波长波速； (2)作光路图确定两角折射定律全反射临界角. 【标准解答】(1)如图所示， (2)刚好看到Q点时的光路图如图所示. x=s1+s2+l y=h2+h
9、sinC= n= 联立以上方程解得： 答案：(1) (2) 【变式训练】华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理奖，他 被誉为“光纤通讯之父”.光纤通讯中信号传播的主要载体是 光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光 在内芯中传播.下列关于光导纤维的说法中正确的是( ) A.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.波长越短的光在光纤中传播的速度越大 D.频率越大的光在光纤中传播的速度越大 【解析】选A.光从光密介质射向光疏介质才能发生全反射， 所以内芯的折射率比外套的大，故A对，B错；
10、频率越大(波长 越短)，折射率越大，根据v= ，折射率大的在玻璃中传播的 速度小，故C、D错. 【变式备选】一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆 柱形玻璃杯，如图所示为过轴线的截面图，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的值. 【解析】当光线在水面发生全反射时有sinC= ，当光线从左 侧射入时，由折射定律有 联立这两式代入数 据可得 答案： 三、应用全反射解释自然现象 1.透明体中的气泡看起来特别亮 光照射到透明体上时，光线绝大多数穿过透明体.若透明体中 有气泡，进入透明体中的部分光线射到空气泡上时，由于透 明体的折射率大于气泡的折射率，若入射
11、角大于或等于临界 角，这部分光会发生全反射，然后射入人眼， 由于气泡处反 射回来的光比没有气泡处强得多，所以气泡看起来特别亮. 2.海市蜃楼 (1)气候条件：当大气比较平静且海面与上层空气温差较大时 ，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减 小.因海面上的空气温度比空中低，空气的下层比上层折射率 大.我们可以粗略地把空中的大气分成许多水平的空气层，如 图所示. (2)光路分析：远处的景物反射的光线射向空中时，不断被折 射，射向折射率较小的上一层的入射角越来越大，当光线的 入射角大到临界角时，就会发生全反射现象，光线就会从高 空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较小的下一层. (
12、3)虚像的形成：当光线进入人的眼睛时，人总认为光是从其 反向延长线方向发射而来的，所以地面附近的观察者就可以 观察到虚像，且虚像成像于远处的半空中，这就是海市蜃楼. 如图所示. (1)明确此现象为全反射现象，分清光疏介质和 光密介质. (2)人的视觉总认为光沿直线传播. 【典例3】在清澈平静的水底，抬头向上观察，会看到一个十 分有趣的现象： (1)水面外的景物(蓝天、白云、树木、房屋)，都呈现在顶角 =97的倒立圆锥底面的“洞”内； (2)“洞”外是水底的景象； (3)“洞”边呈现彩色，且七色的顺序为内紫外红. 试分析上述水下观天的奇异现象.(水的折射率为 ) 【解题指导】解答本题应把握以下两
13、点： (1)水的折射率和向空气射入时的临界角. (2)光发生折射时，折射率小的偏折角小. 【标准解答】水面外的景物射向水面的光线，凡入射角0i 90时，都能折射入水中被人观察到(如图所示). 根据折射定律，在i= 90的临界条件下 所以r=48.5这样倒圆锥的顶角=2r=97.水底发出的光经 过水面反射也可以进入观察者的眼中，但是由于“洞”内有 很强的折射光，所以只有在“洞”外才能看到水底景物经水 面的反射光，也就是在“洞”外看到水底景象(如图所示).光 线从空气中折射入水中，要产生色散现象，红光的折射率最 小，偏向角最小.紫光的折射率最大，偏向角最大.因为眼睛 感觉光线是沿直线传播的，所以从
14、水中看到的彩色“洞”边 是内紫外红. 【变式训练】（2011福建高考）如 图，半圆形玻璃砖置于光屏PQ的左下 方.一束白光沿半径方向从A点射入玻 璃砖，在O点发生反射和折射，折射 光在光屏上呈现七色光带.若入射点 由A向B缓慢移动，并保持白光沿半径 方向入射到O点，观察到各色光在光屏上陆续消失.在光带未 完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的光 分别是（ ） A.减弱、紫光 B.减弱、红光 C.增强、紫光 D.增强、红光 【解析】选C.由于入射点由A向B缓慢移动，入射角增大，因 此反射光增强，折射光减弱，A、B错，紫光折射率大，临界 角小，因此在光屏上最先消失的是紫光，C对,D错，
15、故选C. 【典例】(2011孝感高二检测)半径为R的半圆柱形玻璃，横 截面如图所示，O为圆心，已知玻璃的折射率为 .一束与MN 平面成45的平行光束从空气射到玻璃的半圆柱面上，经玻 璃折射后，有部分光能从MN平面上射出，求能从MN射出的光 束的宽度为多少？ 【解题指导】先确定能射到MN上的光线，再确定能从MN上射 出的边界光线，即可求出射出光束的宽度. 【标准解答】如图所示，进入玻璃中的光线沿半径方向直 达球心位置O，且入射角等于临界角，恰好在O点发生全反射. 光线左侧的光线(如：光线)经球面折射后，射在MN上的 入射角一定大于临界角，在MN上发生全反射，不能射出.光线 右侧的光线经半球面折射
16、后，射到MN面上的入射角均小于 临界角，能从MN面上射出，最右边射向半球的光线与球面 相切，入射角1=90，由折射定律知： 解得：2=45 故光线将垂直MN射出，所以在MN上面射出光束宽度应为 OE=Rsin2= 答案： 一、选择题 1.下列说法中正确的是( ) 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 【解析】选B、D.光在各种介质中的传播速度和介质相对真空 的折射率都是不同的.两种介质相比较,光在其中传播速度大 ，而折射率小的介质叫光疏介质；光在其中传播速度小，而 折射率大的介质叫光密介质. 2.光从一种介质射到另一种介质时，全反射发生在( ) A.折射率较小的介质中 B.折射率较大的介质中 C.光速较小的介质中 D.入射角小于临界角 【解析】选B
