第3、4节 光的全反射 光导纤维及其应用

第3、4节光的全反射光导纤维及其应用核心素养导学物理观念(1)知道全反射现象，理解光疏介质、光密介质和临界角的概念。(2)知道光导纤维和光纤通信。科学思维(1)掌握全反射产生的条件，能画出全反射光路图，解决全反射问题。(2)了解全反射棱镜在各方面的应用。(3)会分析光导纤维问题。科学态度与责任体会光学技术在生产、生活和科学技术上的应用，培养将所学知识应用于生产和生活中的意识。一、全反射及其产生条件1．光疏介质和光密介质的概念

两种不同的介质，折射率较小的介质称为______介质，折射率较大的介质称为______介质。2．全反射及临界角的概念(1)全反射：光从______介质射入_____介质时，当入射角增大到一定程度时，折射光线完全消失，全部光线都被反射回光密介质的现象。(2)临界角：刚好发生全反射(即折射角等于90°)时的_________。用字母C表示。光疏光密光密光疏入射角(1)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，越容易发生全反射。(2)相对于相同两种介质的界面，紫光的临界角最小、红光的临界角最大。光密光疏大于等于二、全反射现象1．水或玻璃中的气泡看起来特别亮，是由于光射到气泡上发生了________。2．在沙漠里，接近地面的热空气的折射率比上层空气的折射率____，从远处物体射向地面的光线的入射角_____________时发生全反射，人们就会看到远处物体的倒景。3．全反射棱镜(1)形状：截面为__________三角形的棱镜。全反射小大于临界角等腰直角(2)当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生________，光射出棱镜时，传播方向改变了_____。(3)当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边的界面上各发生一次_______，使光的传播方向改变了______。(4)全反射棱镜的反射性能比镀银的平面镜______。全反射90°全反射180°更好三、光导纤维及其应用1．原理

利用了________原理。2．构造

光导纤维是非常细的特制石英玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成。内芯的折射率比外套的____，光传播时在内芯与外套的界面上发生_________。全反射大全反射3．应用

光纤通信中先将传送的信息转换为____信号，利用光纤把____信号传输到接收端，接收端再将光信号还原为原信息。4．主要优点

_____大、能量损耗小、____________强、保密性好等。光光容量抗干扰能力1．图甲中荷叶上晶莹透亮的小水珠、图乙中水里的小气泡、图丙中玻璃玩具里的小气泡看上去格外明亮，这种现象属于光的全反射现象，试判断甲、乙、丙三图中光疏介质和光密介质。图例光疏介质光密介质甲___________水乙气泡中的空气________丙气泡中的空气_____________空气水玻璃2．如图，让光沿着半球形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的界面上会发生反射和折射。逐渐增大入射角，你会观察到什么现象？提示：入射角逐渐增大时，反射光变强，折射光变弱，当入射角增大到一定程度时，折射光完全消失，发生全反射现象。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的玻璃全

反射棱镜。试在虚线框内画出全反射棱镜。提示：4．如图，内芯的折射率为n1，外套的折射率为n2。(1)光线在内芯和外套的界面上发生了什么现象？(2)n1和n2的大小存在什么关系？提示：(1)发生了光的全反射现象。(2)n1＞n2。新知学习(一)|对全反射现象的理解[任务驱动]如图，让一束光沿着半圆形玻璃砖的半径射向玻璃砖，在底面上光发生反射和折射，逐渐增大入射角，为什么折射光线消失，只有反射光线？提示：因为入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象。[重点释解]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(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，与它的密度大小无关。例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质。

光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大2．全反射现象(1)全反射的条件

①光由光密介质射向光疏介质。

②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。[典例体验][典例]

(2022·广东高考)一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成45°角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。答案：B2．

如图所示，MM′是两种介质的界面，A是入射光线，B是反射

光线，C是折射光线，O是入射光线的入射点，NN′是法线，

θ1是入射角，θ2是折射角，且θ1＞θ2，则(

)A．θ1逐渐增大时，θ2也逐渐增大，有可能发生全反射现象B．θ1逐渐减小时，θ2也逐渐减小，有可能发生全反射现象C．θ1逐渐增大时，θ2将逐渐减小，有可能发生全反射现象D．θ1逐渐增大时，θ2也逐渐增大，但不可能发生全反射现象答案：D

新知学习(二)|全反射棱镜的原理和应用[任务驱动]如图为构成潜望镜的关键部件——全反射棱镜中的光路图。全反射棱镜应用了什么原理？提示：全反射棱镜应用了光的全反射，必须要满足光发生全反射的条件。

[重点释解]1．全反射棱镜的作用及应用(1)作用：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，全反射棱镜是一种特殊的棱镜，在光学仪器中用来改变光的方向。(2)应用：对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像。2．应用实例[典例体验][典例]一束很细的激光束从空气射到某透明材料的表面发生反射和折射，测得入射光束跟折射光束之间的夹角为150°，折射光束跟反射光束之间的夹角为90°。求：(1)入射角、反射角、折射角各为多大？(2)这种透明材料的折射率为多大？(3)利用这种材料能否制成全反射棱镜。答案：C

新知学习(三)|光导纤维的原理和应用[重点释解]1．光导纤维的构造

光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的

外层透明介质组成，如图所示。

实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径在几微米到一百微米之间，外层包上折射率比它小的材料，再把若干根光纤集成一束，制成光缆，进一步提高了光纤的强度。2．光导纤维的原理

全反射是光导纤维的基本工作原理。光在光纤内传播时，由光密介质射入到光疏介质，若入射角i≥C(临界角)，光就会在光纤内不断发生全反射。[针对训练]1．一束复色光从空气射入光导纤维后分成a、b

两束单色光，光路如图所示，比较内芯中的a、b两束光，a

光的

(

)A．频率小，发生全反射的临界角小B．频率大，发生全反射的临界角小C．频率小，发生全反射的临界角大D．频率大，发生全反射的临界角大答案：C答案：D

答案：见解析图

科学探究——光导纤维模拟实验2．(选自粤教版新教材“观察与思考”)在一个玻璃瓶的下端侧面开一个小圆孔，并用一橡胶塞塞住。在橡胶塞上开一带阀门的金属直通管，直通管另一端用一小段胶管与一“L”形玻璃管(或金属管)相连，并使“L”型管的出水端略向上倾斜。把整个瓶放在一个升降台上，调节激光器的位置，使其发出的激光正好射向出水端口的上方，如图(a)所示。将瓶中装满水，打开直通管阀门，出现一束连续弯曲的水流，如图(b)所示。再开启激光器，可以看到什么现象？当水柱随着瓶中的水位下降而变形的时候，又可以看到什么现象？提示：可以看到激光被限制在水流内部传播，当水柱随着瓶中的水位下降而变形的时候，激光仍被限制在水流中传播。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．

自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理，它虽然本身不发

光，但在夜间骑行时，从后面开来的汽车发出的强光照到

尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车，尾灯由透明介质制成，其外形如图甲所示，下面说法正确的是

(

)A．汽车灯光从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射B．汽车灯光从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射C．汽车灯光从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射D．汽车灯光从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射解析：

从题图中取一个凸起并作出一条光路如图所示。由图可知，每一部分相当于一块全反射棱镜，要想让后面的司机看到反射光，因此光只能从右侧(直边)射入，经过尾灯左表面反射回去，故选项C正确，A、B、D错误。答案：C答