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1、专题四 高二物理全反射【教学目标】1、全反射现象及其发生条件; 2、临界角的计算； 3、全反射的应用。【教学重点】全反射现象及其发生条件； 【教学难点】全反射的应用。【授课时数】3课时【教学过程】预习导读一、光疏介质与光密介质的定义:1)、光疏介质: .2)、光密介质: .二、全反射:1、全反射：当光从光密媒质进入光疏介质时,折射角大于入射角.当入射角增大到某一角度时,折射角等于900,此时,折射光完全消失入射光全部反回原来的介质中,这种现象叫做全反射.2、临界角:1)、定义: 叫做临界角.用字母C表示.2)、临界角的计算: 当光由某种介质射入真空或空气时: .3、发生全反射的条件:1)、光从
2、光密介质射向光疏介质;2)、入射角大于或等于临界角,即iC.以上两个条件必须同时满足,缺一不可.【知识要点】一、光疏介质与光密介质 1、定义:1)、光疏介质:两种介质中折射率较小的介质叫做光疏介质.2)、光密介质:两种介质中折射率较大的介质叫做光密介质.因,对光疏介质,n较小,V较大. 对光密介质,n较大,V较小.故也可以说,对于两种介质,光在其中传播速度较大的是光疏介质,光在其中传播速度较小的是光密介质.反过来说,同一种光在光疏介质中传播速度较大,在光密介质中传播速度较小. 即： 对光疏介质，n较小，光在其中传播的V较大； 对光密介质，n较大，光在其中传播的V较小。 2、理解:1)、光疏介质
3、光密介质是相对而言的.只有对给定的两种介质才能谈光疏介质与光密介质.没有绝对的光密介质.如：水、玻璃和金刚石三种介质比较，n水1.33 n玻璃1.51.9 n金刚石2.42。 对水而言，玻璃是光密介质；但对金刚石而言，玻璃则是光疏介质。2)、光疏介质与光密介质的界定是以折射率为依据的,与介质的其它属性(如密度等)无关.例如：水和酒精，n水1.33n酒精1.36，酒精相对于水而言是光密介质，但水酒。二、全反射:1、全反射：当光从光密媒质进入光疏介质时,折射角大于入射角.当入射角增大到某一角度时,折射角等于900,此时,折射光完全消失入射光全部反回原来的介质中,这种现象叫做全反射.2、临界角:1)
4、、定义:光从光密介质射向光疏介质时,折射角等于900时的入射角,叫做临界角.用字母C表示.临界角是指光由光密介质射向光疏介质时,发生全反射形象时的最小入射角,是发生全反射的临界状态.当光由光密介质射入光疏介质时:若入射角iC,则不发生全反射,既有反射又有折射形象.若入射角iC,则发生全反射形象.2)、临界角的计算:A、当光由某种介质射入真空或空气时:B、任意两种媒质:n密、n疏: :n密对疏=,故临界角C=arcsin().其中, :n密、n疏分别为光密介质和光疏介质的绝对折射率.3、发生全反射的条件:1)、光从光密介质射向光疏介质;2)、入射角大于或等于临界角,即iC.以上两个条件必须同时满
5、足,缺一不可.三、全反射的实例及应用:1、光导纤维光纤通讯：一种利用光的全反射原理制成的能传导光的玻璃丝,由内芯和外套组成,直径只有几微米到100微米左右,内芯的折射率大于外套的折射率.当光线射到光导纤维的端面上时,光线就折射进入光导纤维内,经内芯与外套的界面发生多次全反射后从光导纤维的另一端面射出,而不从外套散逸,故光能损耗极小. 如果把光导纤维聚集成束使其两端纤维排列的相对位置相同,这样的纤维束就可以传送图像,如图所示. 利用光导纤维可以弯曲传光,传像,可制作各种潜望镜,医用内窥镜等.如图所示，一透明塑料棒的折射率为n,光线由棒的一端面射入，当入射角i在一定范围内变化时，光将全部从另一端面
6、射出。当入射角为i时，光在棒的内侧面恰好发生全反射。由图可知，光在左端面折射时的折射角r=.由折射定律得：。故有：， 。所以只要，光将全部从右端面射出。2、蜃景的成因和规律：夏天，在气压恒定的海面上，空气密度随高度增加而减小，对光的折射率也随之减小从而形成一具有折射率梯度的空气层。当光线通过此空气层时，将发生偏转。如图4所示，设一束从远处景物A发出的光线a以入射角I由折射率为n处射入空气层。由折射定律有：nsini=n1sinr1(1) n1sinr1=n2sinr2.(2)联立（1）、（2）式可得： nsini=n2sinr2 依此类推：nsini=ncsinc, sinc=sini.可见，
7、当n i一定时，从下层空气进入上层空气的入射角不断增大，当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时，就会全反射。人在C处逆着C光线看，可看到经全反射形成的倒立虚像；在B处逆着b光线看，也可看到经折射形成的正立虚像。总之。若人在较高处，看到的蜃景是由折射形成的正立虚像；若人在较低处，看到的蜃景是由折射和全反射形成的倒立虚像。【知识要点】再如图3所示，一个横截面为矩形、折射率为n=1.5的玻璃条被弯成900，一束平行光由A端面射入。若矩形边长为d，则只要曲率半径R2d，光均能从B端射出。由图可知，只要a光线能发生全反射，则所有从A端入射的光均能发生全反射：sini=sinc=. 图 3解得：R2d
8、.可见，光纤通迅中，只要光导纤维弯曲满足R，则光导纤维可以足够细，楞弯成半圆及圆。【学法指导】【疑难辩析】【典型例析】【例1】一束光从空气射向折射率为n=的某种玻璃的表面，如图所示，i代表入射角，则（ BCD ）A. 当i45时，会发生全反射现象B. 无论入射角i多大，折射角都不会超过45C. 欲使折射角等于30，应以i=45的角度入射D.当i=arctg时，反射光线跟折射光线恰好互相垂直【例2】一束平行光线在3种介质界面上的反射、折射情况如图所示，若光在，种介质中传播速度分别为v1，v2，v3，则：（ ）A.v1v3v2； B. 光以的入射角从介质射到介质和介质的分界面上，则一定能在、的界面
9、上发生全反射.C. 光以的入射角从介质 射到介质 和介质的分界面上，则可能在介质和介质的界面上发生全反射.D. 光以的入射角从介质射到介质 和介质的分界面上，则一定在介质和介质的界面上发生全反射. yaxoAB y xo yxo yxo yxo A B C D【例3】如图所示，AB为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图，设该光学材料的折射率沿y轴正方向均匀减小。现有一束单色光a从原点O以某一入射角由空气射入该材料内部，则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个（ ）【例4】如图所示是一根长为L的医用光导纤维的示意图，该光导纤维所用的材料的折射率为n。一细束单色光从左端面上的某点
10、射入，经光导纤维内部侧面的多次全反射从右端射出。由于此单色光的入射角是可调的，所以光束通过该光导纤维所用的时间各不相同。真空中的光速为C，那么： （1）要使此单色光总能在光导纤维内部侧面发生全反射，材料的折射率n应满足什么条件？（2）该光束通过这条光导纤维所用的最短时间和最长时间分别是多少？【例4】（1）在A点有 即sin=nsin(900)，当增大时减小，但应有临界角C，sinC=，当90时，C，所以有sin900=ncos(arccos) (到此步得3分)；解此方程得sin=cos 得n=，所以材料的折射率n应 （到此结果得3分）（2）当=0时时间最短为t= (2分)；当光从左端射入时的折
11、射角最大时，时间最长，此时路程s=L/cos，当入射角900时最大，由折射定律有sin=，（到此步得2分）；又光在光导纤维中的传播速度为v=，故最长时间为t=（3分） 【例5】现在很多高速公路上的标志牌都用“回归反光膜”制成夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向返回，所以标志牌上的字特别醒目这种“回归反光膜”是用球体反射元件制作的反光膜内部均匀分布着直径为10m的细玻璃珠设所用玻璃的折射率为 n=，为使人射的车灯光线经玻璃珠折射一反射一再折射后恰好和人射光线平行射出玻璃珠，第一次人射时的人射角应是多大？【例6】如图所示，AOB是由某种透明物质制成的圆柱体横截 面（O为圆心）折射率为。今有一束平行光
12、以45的入射角射向柱体的OA平面，这些光线中有一部分不能从柱体的AB面上射出，设凡射到OB面的光线全部被吸收，也不考虑OA面的反射，求圆柱AB面上能射出光线的部分占AB表面的几分之几？ 【例6】从O点射入的光线，折射角为r，根据折射定律有： 解得r=30 从某位置P点入射的光线，折射到AB弧面上Q点时，入射角恰等于临界角C，有： 代入数据得：C=45 PQO中=18090r=15所以能射出的光线区域对应的圆心角 能射出光线的部分占AB面的比例为 OA【例7】某种液体的折射率为,在其液面下有一可绕水平轴O匀速转动的平面镜OA,OA的初始位置与液面平行,如图所示.在液面与平面镜间充满自左向右的平行
13、光线.若在平面镜逆时针旋转一周的过程中,光线射入空气中的时间为2s .试问:平面镜由初始位置转过多大角度时,光线开始进入空气?平面镜旋转的角速度多大?【例7】解:设临界角为C,则sinC= (2分)故 C=45 (2分)由此可知当平面镜转过1=22.5时光线开始进入空气.(1分)当平面镜转过67.5时,光线又发生全反射,不能进入空气,所以平面镜转过22.567.5间光线能进入空气. (3分)平面镜转动的角速度=rad/s (2分)HLhS【例8】如图所示的圆柱形容器中盛满折射率n=2的某种透明液体，容器底部安装一块平面镜，容器直径L=2H，在圆心正上方h高度处有一点光源S，要使S发出光从液体上方观察照亮整个液体表面，h应该满足什么条件？S S/ h h ii【例8】点光源s通过平面镜所成像为s/如图，反射光线能照亮全部液面，入射角ii0, i0为全反射临界角 sin i0=1/n=1/2 i0=300 tani=(L/2)/(H+h) tani0 L=2H得到： 正确结果是 【基础训练】 1、光在光密介质和光疏
