4.3 光的全反射 课件-2025-2026学年高二上学期物理教科版选择性必修第一册

激光笔发出的光从弯曲的有机玻璃棒的一端射入。当光在有机玻璃棒内传播时，如果从有机玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在有机玻璃棒内沿着锯齿形路线传播。这就是光导纤维导光的原理。使用光导纤维的直径只有几微米到100微米，因为很细，一定程度上可以弯折。它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大光，在传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。如果把光导纤维聚集成数，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。 null首先把一块半圆形玻璃砖放在圆形刻度盘上。用激光笔以一定的角度射向玻璃砖平直边上的圆心上。可以看到在这个平直边与空气的界面上发生折射。保持入射点不变，改变入射角角度。可以观察到，折射角随着入射角的增大而增大。当光从光疏介质射入光密介质时，不管入射角增大，折射角都不会消失。接下来翻转玻璃砖。用激光笔以一定的角度，沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直边上。可以观察到在这个边与空气的界面上发生反射和折射。逐渐增大入射角，可以观察到折射光线离法线越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角变为90度时，折射光完全消失，只剩下反射光，这就是光的全反射现象。由实验可知，当光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角等于或大于临界角，就会发生全反射现象。 01 02 知道光的全反射现象。知道发生全反射的条件，掌握临界角与折射率的关系，能解释生活中的全反射问题。 了解全反射在光导纤维中的应用，体会物理学对科技进步和社会发展的影响。 重难点 全反射 01 水中的气泡和叶子上的露珠看起来特别明亮；炎热夏天，柏油路面有时看起来特别明亮,像水洗过的一样。这又是为什么呢？ 公司logo 公司logo 情境导入 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。入射角从逐渐增大到90°的过程中，反射光线和折射光线会有怎样的变化？ 公司logo 公司logo 观察与思考 实验现象 随着入射角的逐渐增大，折射角逐渐增大，折射光线亮度逐渐减弱；反射角逐渐增大，反射光线亮度逐渐增强 当入射角增大到某一角度时，折射角达到90°，折射光线消失，所有光线全部反射 公司logo 公司logo 观察与思考 1.光疏介质：折射率较小的介质（光在光疏介质中传播速度相对较大） 2.光密介质：折射率较大的介质（光在光密介质中传播速度相对较小） 3.注意事项：光疏介质与光密介质是相对的。 介质的分类 全反射 公司logo 公司logo 核心知识 当光从光密介质射入光疏介质时，入射角逐渐增大到某一角度，光线全部被反射回原光密介质的现象。 全反射 当光从光密介质射入光疏介质时，折射角等于90°角时的入射角叫做临界角。用C表示。 临界角 玻璃 空气 90° C 公司logo 公司logo 核心知识 临界角C 的大小： 临界角的正弦值： 玻璃 空气 （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 全反射的 条件 光从折射率较小的介质进入折射率较大的介质时，折射角小于入射角 光从折射率较大的介质进入折射率较小的介质时，折射角大于入射角 公司logo 公司logo 核心知识 如表所示，分别列出了四种物质的折射率、密度值，据此思考以下问题： 介质 水 酒精 玻璃 金刚石 折射率n 1.33 1.36 1.5～1.9 2.42 密度/×103 kg/m3 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52 (1)“两种介质相比较，密度大的介质一定是光密介质”，这种说法对吗？试举例说明。 答案　不对，光密介质和光疏介质具有相对性，折射率是反映介质光学性质的物理量，与介质的密度没有必然联系。如酒精的密度比水的密度小，但其折射率比水的折射率大，酒精相对于水是光密介质。 公司logo 公司logo 讨论交流 (2)光从哪种介质射入空气更容易发生全反射？ 答案　介质折射率越大，发生全反射的临界角越小，越容易发生全反射，故光从金刚石射入空气更容易发生全反射。 介质 水 酒精 玻璃 金刚石 折射率n 1.33 1.36 1.5～1.9 2.42 密度/×103 kg/m3 1.0 0.8 2.5～3.0 3.52 公司logo 公司logo 讨论交流 (1)同一束光，在光疏介质中的传播速度比在光密介质中的传播速度更大。(　　) (2)发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱。(　　) (3)光从空气射向水中时，只要入射角足够大，就可能发生全反射。 (　　) (4)水或玻璃中的气泡看起来特别亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，在界面发生了全反射。(　　) √ √ × × 辨析 1.(2024·成都市高二月考)某种材料制成的透明砖的截面如图所示，△BOC为直角三角形，∠C=60°，OB=d。一细束单色光线从BC的中点P垂直于BC面入射后，在OC面恰好发生全反射。已知光在真空中的速度大小为c，求： (1)透明砖对该光的折射率； 答案　 (1) (2) (2)光线从P点射到OC面所用的时间。 　 例题 (1)光线在透明砖中的光路图如图所示 根据几何关系可知，发生全反射的临界角为∠1=60°， 有sin ∠1= 解得透明砖对该光的折射率为n= (2)光在透明砖中的速度大小为v= 由几何关系可得PD=d，光线从P点射到OC面所用时间为t==。 例题 如图甲所示，一束单色光从真空中沿半径射入半圆柱形透明工件，光在圆心O处发生折射和反射，折射光线的强度随着θ的变化而变化(如图乙所示)，sin 53°=，则该工件的折射率为 A. B. C. D. 由题图可知，当θ=37°时发生全反射，可知临界角为C=53°，根据sin C =，可得n=，故A正确。 √ 公司logo 公司logo 针对训练 2.(2024·凉山州高二期末)如图，直角三角形ABN是一棱镜的截面，AB=L，∠A=30°。棱镜材料的折射率为n=。一条光线以45°的入射角从AN边的中点M射入棱镜。不考虑光的多次反射。 (1)画出这条光线从AN进入至NB射出的光路图； 答案　 (1)见解析图 (2)能 (3) (2)这条光线能否在AB边发生全反射？ (3)求这条光线从棱镜中的出射点到B点的距离x。 例题 作光路图如图所示； (2)由折射定律可知=n，解得r=30°，由几何关系可知α=60°，而全反射临界角的正弦值sin C==，故C=45°，因为α>C，所以光线能在AB边发生全反射； (3)根据光路图可知，光线垂直BN边射出，由几何关系知AN=Lcos 30°， AD=2×cos 30°，由图可知BD=L-AD，所以光线从棱镜中的出射点到B点的距离为x=BDsin 30°=。 应用全反射解决实际问题的基本方法 3.根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。 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.若光由光密介质进入光疏介质，则根据sin C=确定临界角，看是否发生全反射。 4.运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理，通过运算及变换进行动态分析或定量计算。 公司logo 公司logo 总结提升 全反射的应用 ——光导纤维 02 1966 年，33 岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维（optical fiber）已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了全反射原理。 高锟（1933-2018） 如图，激光笔发出的光射入一根弯曲的有机玻璃棒的一端，观察光传播的路径有什么特点。 公司logo 公司logo 情境导入 光在有机玻璃棒内经过多次全反射，沿着弯曲的玻璃棒进行传播。 公司logo 公司logo 观察与思考 光导纤维 2.光纤的工作原理：当光在有机玻璃棒内传播时，如果从有机玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在有机玻璃棒内沿着锯齿形路线传播。这就是光导纤维导光的原理。 1.构造：实用光导纤维的直径只有几微米到一百微米。因为很细，一定程度上可以弯折。它由内芯和外套两层组成，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。 公司logo 公司logo 核心知识 3.光纤通信的优点：容量大、衰减小、抗干扰能力强、传输质量高等。 4.光导纤维的应用：光导纤维除应用于光纤通信外，还可应用于医学上的内窥镜等。 内窥镜 公司logo 公司logo 核心知识 把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端（图 1）。 医学上用这种光纤制成内窥镜（图2）用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。 实际的内窥镜装有两组光纤，一组把光传送到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。 图2 图1 公司logo 公司logo 核心知识 3.如图是一段长为L的直光导纤维内层，一单色光从左端面射入光纤，已知光纤对该单色光的折射率为n，光在真空中传播速度大小为c，则该单色光在光纤中传播的最短时间为　　；若该单色光以任意不为零的入射角从左端面射入，均能在侧面发生全反射，并从右端面射出，则折射率n的取值范围是　　　　。 　 n≥ 例题 当光线垂直于左端面入射时，光传播的路径最短x=L 光在光纤中传播速度大小为v= 光在光纤中传播的最短时间为t= 联立解得t= 由光路图可知，当光从左端面入射时的入射角为90°时，光进入光纤的折射角最大，且等于临界角，即r=C 这时，光在光纤侧面的入射角有最小值i'=90°-r 要使所有入射光线均能在侧面发生全反射，则应有i‘≥C，联立解得C≤45°，又因为sin C=，所以n≥。 拓展　该单色光在光纤中传播的最长时间为多少？ 答案　 如图所示，设光线在左端面的入射角为i，折射角为α，折射光线射向侧面时的入射角为β，折射光线刚好发生全反射时，对应的光的传播时间最长。此时有sin β= 光在介质中传播速度的大小为v= 光速沿光纤轴线方向的分量为vz=vsin β 光传播的最长时间tmax= 联立以上各式解得最长时间tmax=。 求解光导纤维问题的注意点 1.全反射问题：要使光在光导纤维侧面发生全反射，光在光纤侧面的入射角必须大于或等于临界角，注意光在光纤侧面的入射角与进入光纤端面时的入射角之间的关系。 2.传播时间问题：光在光纤中的传播时间，等于光纤长度与光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量的比值。在刚好发生全反射时，光在光纤中的传播速度在光纤轴线方向的分量最小，传播时间最长。 公司logo 公司logo 总结提升 光的全反射 全反射 全反射的应用——光导纤维 光密介质、光疏介质 相对性 现象 折射光线消失，全部反射 临界角 条件 由光密介质到光疏介质 入射角大于或等于临界角 原理：全反射 构造：内芯、外套，内芯折射率大 应用：光纤通信、内窥镜 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! Lavf58.20.100 Lavf57.62.100 $1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理。他做了个简单的实验，在装满水的木桶上钻个孔，让水从小孔中流出来，然后用刚从桶上边把水照亮。令观众大吃一惊的是，水流弯曲，光线也弯曲，光居然随着水的变形而变形。后来人们发现光还能顺着弯曲的玻璃棒前进，这是为什么呢？难道光不在直线传播了吗？其实这正是光的全反射现象。当光线从一种折射率高的介质A比如水色相率中折射率低的介质B比如空气时，就有一部分光进入介质B而另一部分光则被反射回介质A但是如果入射角不断增大，那么反射回介质A的光线就会不断增加，而折射进介质B的光线不断减少。当入射角超过某一临界值时，入射的光线就被全部反射回介质A丝毫也不会折射进介质B这种现象就叫全反射。于是根据这一原理，人们研制了一种透明度非常高的玻璃，并用它制造了一种比头发还细的玻璃丝，这就是玻璃纤维。当光线以合适的角度射入玻璃纤维，时光就会不断发生全反射，从而沿着弯曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能用来传输光线，所以它被称为光导纤维，简称光纤。光纤在结构上有纤芯和包层两种不同介质，纤芯的折射率大于包层的折射率，光从中间传播时，遇到光纤弯曲处会发生全反射现象，而保证光线不会泄露到光线外。世界上的第一等光纤是由华裔物理学家高锟制造而成的，它被称为光纤之父，他因光纤的发明获得2009年诺贝尔物理学奖。光纤的最大用途是用来传递信息，由于光波的频率非常高，载体信息含量巨大，因此一根细细的光纤就能传递上百路电视信号或几10万路电话，比传统的金属导线和同轴电缆的传输能力要强许多倍。现在，许多城市的互联网都实现了光纤入。