4.3 第三节　光的全反射与光纤技术-【正禾一本通】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册同步课堂高效讲义教师用书（粤教版）

本讲义聚焦光的全反射与光纤技术，系统梳理光疏光密介质相对性、临界角公式及全反射条件，构建从现象（荷叶水珠等）到原理再到应用（光纤、全反射棱镜）的知识脉络，提供情境导入、实验探究、例题解析等学习支架。 资料以生活情境（玻璃气泡、液流导光）驱动科学探究，通过全反射临界角计算、光纤传输模型分析等例题培养科学思维，结合随堂演练与课时测评，课中助力概念建构，课后便于查漏补缺，深化物理观念与应用能力。

第三节　光的全反射与光纤技术 【素养目标】　1.知道光疏介质和光密介质，理解它们的相对性。　2.知道光的全反射，会利用全反射解释有关现象。　3.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应的光路图。　4.了解全反射棱镜和光导纤维。 知识点一　光的全反射现象 【情境导入】　我们在生活中常见以下现象：图甲所示荷叶上的小水珠看着晶莹透亮；图乙所示玻璃玩具里的小气泡看上去格外明亮。上述情境是什么现象？ 提示：光的全反射现象。 【教材梳理】 (阅读教材P101—P102完成下列填空) 1．光疏介质和光密介质 (1)光疏介质：折射率较小的介质。 (2)光密介质：折射率较大的介质。 (3)光疏介质与光密介质是相对的。 2．全反射现象 (1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角且随入射角增大而增大。当入射角达到一定角度，折射角变成90°，继续增大入射角，折射角将大于90°，此时入射光线全部被反射回折射率较大的光密介质中，这种现象称为光的全反射。 (2)临界角：折射角等于90°时的入射角，记作ic。 (3)临界角与折射率的关系：sin ic＝。 3．全反射发生的条件 (1)光从光密介质射入光疏介质。 (2)入射角等于或大于临界角。 【师生互动】　如图所示，让光沿着半圆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。 任务1．比较图甲、乙，逐渐增大入射角，反射角(光线)和折射角(光线)有什么变化？ 任务2．观察图丙，有什么特点？ 提示：任务1.图甲→图乙：入射角逐渐增大，反射角、折射角都逐渐增大；反射光越来越强，折射光越来越弱。 任务2.图丙中折射光线消失，反射光与入射光的亮度几乎相同，发生了全反射。 全反射的理解 如图甲所示，为研究一半圆柱形透明新材料的光学性质，用激光由真空沿半圆柱体的径向射入，入射光线与法线成θ角，由光学传感器CD可以探测反射光的强度。实验获得从AB面反射回来的反射光的强度随θ角变化的情况如图乙所示。光在真空中传播速度为c，则该激光在这种透明新材料中(　　 ) 学生用书第103页 A．折射率为 B．传播速度为c C．θ＝0°时，反射光强度为0 D．反射光的强度随θ角的增大而增大 答案：B 解析：根据题图乙可得当θ＝60°时激光发生全反射，根据临界角公式可得n＝＝，故A错误；传播速度v＝＝c，故B正确；θ＝0°时大量的激光从O点射出，少量激光反射经过C点，故C错误；根据题图乙可得当θ＝60°时激光发生全反射，此后θ角增大，反射光的强度不变，故D错误。 1．对光疏介质和光密介质的理解 (1)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同一种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。 (2)光疏介质、光密介质与介质密度的关系：光疏介质与光密介质是从光学特性来说的，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。 (3)介质的折射率和传播速度：光疏介质的折射率小，光在介质中传播的速度大；光密介质的折射率大，光在介质中传播的速度小。 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。 3．临界角 (1)折射角等于90°时的入射角。 (2)若光从光密介质(折射率为n)射向真空或空气时，发生全反射的临界角为ic，则sin ic＝。　　 针对练．光在某种介质中传播的速度为1.5×108 m/s, 光从此介质射向空气并发生全反射时的临界角是ic＝________。 答案：30° 解析：该介质的折射率n＝＝＝2，恰好发生全反射时有sin ic＝＝，则ic＝30°。 全反射的应用 为了表演“隐形的大头针”节目，某同学在半径为r的圆形薄软木片中心垂直插入一枚大头针，并将其放入盛有水的碗中，如图所示。已知水的折射率为，为了保证表演成功(在水面上看不到大头针)，大头针末端离水面的最大距离h为(　　 ) A．r　　 B．r C．r　　 D．r 答案：A 解析：只要从大头针末端发出的光线射到圆形薄软木片边缘界面处能够发生全反射，从水面上就看不到大头针，如图所示，根据图中几何关系有sin ic＝＝＝，所以h＝r，故选A。 解决全反射问题的基本思路 1．确定光是由光疏介质进入光密介质，还是由光密介质进入光疏介质。 2．若由光密介质进入空气，则根据sin ic＝确定临界角，判断是否发生全反射。 3．根据题设条件，画出入射角等于临界角时的“临界光路”。 4．运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、动态分析或定量计算。　　 针对练．(2024·广州市广东华侨中学校期末)如图甲为“水下世界国际摄影大赛”的获奖作品，摄影师在水下对水上的景物进行拍摄，获得了美轮美奂、令人赞叹的美学效果。忽略镜头尺寸的影响，假设摄影师由水下竖直向上拍摄，光的传播路径如图乙所示，已知水的折射率为，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列说法正确的是(　　 ) A．光线射入水中频率减小 B．水中拍摄到的水上景物比实际位置偏低 C．进入镜头的光线与竖直方向的夹角θ最大为37° D．通过镜头将只能拍摄到岸上一部分的景物 答案：D 解析：光线由水上射入水中时，光的频率不变，故A错误；如图所示，光源S成像在S′处，S′的位置比S的位置偏高，故B错误；当光线在水面的入射角为90°时，水中光线与竖直方向夹角达到最大值，即临界角ic，且sin ic＝＝>0.6，则ic>37°，故C错误；由于实际上入射角达不到90°，所以通过镜头将只能拍摄到岸上一部分的景物，故D正确。故选D。 学生用书第104页 知识点二　光导纤维的工作原理及应用 【情境导入】　在暗室中，使一束极细的激光沿水平方向从小孔对面一侧射入水流中，如图所示，你观察到什么现象？ 提示：从实验中可以看出，当入射角大于某一角度时，激光沿着水柱传播，水柱以外几乎没有光。这是因为水柱中的光在水与空气界面发生全反射，激光全被反射回水中。 【教材梳理】 (阅读教材P102—P104完成下列填空) 1．构造：光导纤维简称光纤。由纤芯和包层组成。包层的折射率比纤芯的小，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射。 2．原理：光导纤维利用了光的全反射原理。 3．光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强等。 【师生互动】　设激光束在光导纤维端面的入射角为θ1，折射角为θ2，折射光线射到侧面时的入射角为θ3。 任务1．增大入射角θ1，折射角θ2如何变化？侧面上的入射角为θ3如何变化？ 任务2．若激光束不会从侧壁“泄漏”出来，入射角为θ3应满足什么条件？ 提示：任务1.折射角θ2变大，侧面上的入射角θ3变小。 任务2.θ3最小为临界角ic。 如图所示，一根长为l＝5.0 m的光导纤维用折射率n＝ 的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内，已知光在真空中的传播速度为c＝3.0×108 m/s，经过一系列全反射后从右端射出，则： (1)该激光在光导纤维中的速度v是多大？ (2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？ [解题指导]　(1)已知光导纤维的折射率，可求激光在光导纤维中的速度。 (2)由折射定律可知光在纤维中的折射角，可求出光线在光导纤维中的总路程，进一步可求出光在光导纤维中经历的时间。 答案：(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10-8 s 解析：(1)由n＝可得v＝≈2.1×108 m/s。 (2)由全反射临界角公式sin ic＝可知，临界角ic＝45°；由n＝可得sin γ＝，即光线从左端面射入后的折射角为30°，射到侧面时的入射角为60°，大于临界角45°，因此发生全反射，同理光线每次在侧面都将发生全反射，直到光线到达右端面。由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s＝＝，因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t＝≈2.7×10-8 s。 1．光导纤维的工作原理 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。　　 2．光导纤维纤芯的折射率 设纤芯的折射率为n，当入射角为θ1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sin ic＝，n＝，ic＋θ2＝90°，由以上各式可得sin θ1＝。 由图可知，当θ1增大时，θ2增大，而从纤芯射向真空中光线的入射角θ减小；当θ1＝90°时，若θ＝ic，则所有进入纤芯中的光线都恰好能发生全反射，解得n＝，以上是光从纤芯射向真空时得到的折射率，而光导纤维包有包层，包层的折射率比真空的折射率大，因此纤芯的折射率要比 大些。 3．光导纤维是全反射现象的应用，存在一类求传播时间的极大值问题。极值存在的条件均与全反射临界角有关，同样需要构造三角形求解传播距离，根据折射率求传播速度。 学生用书第105页　　 针对练1．光导纤维的结构如图所示，其纤芯和包层材料不同，光在纤芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是(　　) A．纤芯的折射率比包层的大，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射 B．纤芯的折射率比包层的小，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射 C．纤芯的折射率比包层的小，光传播时在纤芯与包层的界面上发生折射 D．纤芯的折射率与包层的相同，包层的材料有韧性，可以起保护作用 答案：A 解析：光导纤维纤芯的折射率比包层的大，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射，故选项A正确，选项B、C、D错误。 针对练2．(2024·惠州市高三段考)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 解析：纤芯的折射率应大于包层的折射率，才能使光信号在二者之间的界面处发生全反射，故A错误；根据全反射临界角公式sin ic＝可知，全反射临界角由折射率决定，而介质的折射率与介质本身及光的性质有关，与入射角θ无关，增大左端面的入射角θ，纤芯的折射率不变，包层与纤芯之间的界面处发生全反射的临界角不变，故B、D错误；根据折射率公式n＝，有折射角sin γ＝，可知增大左端面的入射角θ，纤芯的折射率不变，左端面的折射角随之增大，故C正确。故选C。 知识点三　全反射棱镜的特点及应用 1．全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜是全反射棱镜，它常用来代替平面镜改变光的传播方向。 2．光通过全反射棱镜时的几种方式 入射方式 项目 方式一 方式二 方式三 光路图 入射面 AB AC AB 全反射面 AC AB、BC AC 光线方向 改变角度 90° 180° 0°(发生侧移) (2024·江苏扬州中学高二期中)如图所示，某透明体的横截面是腰长为a的等腰直角三角形，一细光束从距A点AB长的D点垂直AB射入透明体，在AC界面上刚好发生全反射。真空中的光速为c，求： (1)透明体的折射率； (2)该光束在透明体内传播的时间。 [解题指导]　(1)首先画出光路图，由光在AC界面上刚好发生全反射，可知临界角为45°，进一步可求出透明体的折射率。 (2)由折射率可求出光在透明体内的速度，进一步可求出传播时间。 答案：(1)　(2) 解析：(1)光束进入透明体到达AC界面时，入射角i＝45°，即临界角ic＝45°，故sin ic＝＝ 解得n＝。 (2)光束在透明体内的光路如图所示，由几何关系得，光在透明体中传播的总路程s＝＋a＋＝a 光在透明体内的速度v＝ 所以传播时间t＝＝。 针对练．(2024·佛山市高二统考期中)在光学仪器中，“道威棱镜”被广泛用来进行图形翻转。如图所示，棱镜的横截面ABCD是底角为45°的等腰梯形。现有一光源F发出一组平行于BC的光线从真空中射入棱镜，已知棱镜材料的折射率n＝，则： 学生用书第106页 (1)光线穿过AB面时的折射角是多少？ (2)请通过计算说明光线在BC面是否发生全反射； (3)请画出图中两条入射光线到光屏的光路图及在光屏中所成的像。 答案：(1)30°　(2)见解析　(3)见解析图 解析：(1)由题图可知，平行光在AB面的入射角i＝45° 根据光的折射定律可得n＝ 解得折射角γ＝30°。 (2)根据全反射公式可得n＝ 解得临界角ic＝45° 根据几何关系，光线在BC面的入射角为75°>ic＝45°，故发生全反射。 (3)光路图如图所示。 1．(多选)酷热的夏天，在平坦的柏油公路上你会看到在远处的路面显得格外明亮，仿佛有一片“水面”，如图所示，但当你向“水面”靠近时，“水面”也随着你的靠近而后退，对此现象正确的解释是(　　) A．这一现象是由光的折射和光的全反射造成的 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，附近空气折射率变大，发生全反射 D．太阳辐射到地面，使地表温度升高，附近空气折射率变小，发生全反射 答案：AD 解析：酷热的夏天柏油路面温度较高，路面上方下层空气的温度比上层空气的温度高，下层空气的折射率比上层的小，由路面向上折射率逐渐变大，太阳光斜向下射向路面过程是由光密介质射入光疏介质，经过多次折射使入射角逐渐变大，达到临界角时发生全反射现象，故人们会看到远处的路面仿佛有一片“水面”，故A、D正确。 2．(鲁科版P115T3)光由某种介质射向与空气的分界面，当入射角大于或等于45°时，折射光消失。由此，可判断这种介质的折射率是(　　 ) A． B． C． D．2 答案：B 解析：当入射角大于或等于45°时折射光消失，则临界角为45°，则这种介质的折射率n＝＝＝，故选B。 3．如图所示，将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水从小孔流出。将激光水平射向塑料瓶小孔，观察到激光束沿水流方向发生了弯曲，光被完全限制在水流内。则下列说法正确的是(　　 ) A．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生折射 B．激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射 C．仅改用折射率更大的液体，激光束不能完全被限制在液体流内 D．激光在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度 答案：B 解析：激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射，就像光导纤维一样，A错误，B正确；仅改用折射率更大的液体，根据sin ic＝，则临界角较小，激光束仍可在液体流中发生全反射，同样能完全被限制在液体流内，C错误；根据v＝可知，激光在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度，D错误。 4．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，其外形如图所示，下列说法中正确的是(　　 ) 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 答案：B 解析：汽车灯光应从左面射向自行车尾灯，光在尾灯内部右表面发生全反射，使自行车后面的汽车司机发现前面有自行车，避免事故的发生。故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $