第4章 第3节 光的全反射 第4节 光导纤维及其应用（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册学习笔记（鲁科版）

本高中物理讲义聚焦光的全反射及光导纤维应用，系统梳理全反射产生条件（光密介质射入光疏介质、入射角≥临界角）、临界角公式，通过露珠明亮、沙漠蜃景等自然现象解释原理，延伸至全反射棱镜光路改变及光导纤维工作原理，构建从概念到现象再到应用的学习支架。 该资料以生活实例（玻璃气泡、鱼缸气泡）和技术应用（双筒望远镜、光纤通信）为载体，通过例题推导（如玻璃射入空气的折射判断）培养科学思维中的模型建构与科学推理，结合课时对点练强化物理观念应用。课中辅助教师突破重难点，课后助力学生通过分层练习查漏补缺，提升知识迁移能力。

第3节　光的全反射 第4节　光导纤维及其应用 [学习目标]　1.会用全反射条件判断问题(重点)。2.会用光的折射定律和全反射条件解释自然现象(重点)。 3.会根据全反射棱镜的工作原理分析问题(难点)。4.会根据光导纤维的工作原理分析问题(难点)。 一、全反射及其产生条件 夏天的早晨，从某方向看植物叶子上的露珠会格外明亮。玻璃中的气泡从侧面看也是特别明亮。这是什么道理呢？ 答案　光照射露珠或经玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，将有更多的光反射到人的眼睛里，人就会感觉特别明亮。 1.全反射 光从某种介质入射到空气中时，折射角大于入射角，当入射角增大到一定程度时，折射光完全消失，全部光都被反射回介质内。这种现象称为全反射现象，简称全反射。 说明：当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，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，光全部返回原来的介质，反射光线的能量等于入射光线的能量。 2.临界角 (1)定义：刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角，用字母C表示，光从介质射入空气(真空)时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是sin C=。  (2)不同介质的临界角不同(填“相同”或“不同”)。 (3)介质的临界角越小就越容易(填“容易”或“不容易”)发生全反射。 3.光疏介质和光密介质 (1)光疏介质：折射率较小(填“大”或“小”)的介质。 (2)光密介质：折射率较大(填“大”或“小”)的介质。 (3)光疏介质与光密介质是相对(填“相对”或“绝对”)的。例如：水晶与水相比，水晶为光密介质，水为光疏介质；水与空气相比，水为光密介质，空气为光疏介质。 4.发生全反射的条件 (1)光从光密介质射入光疏介质。 (2)入射角大于等于临界角。 (1)光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象。 (　×　) (2)发生全反射时，仍有折射光线，只是折射光线非常弱，因此可以认为不存在折射光线而只有反射光线。 (　×　) (3)同一束光，在光密介质中的传播速度较大。 (　×　) 例1　一束单色光从玻璃射入空气。已知玻璃的折射率n=1.53，当入射角分别为50°、30°时，光能否发生折射？若能，折射角为多大？ 答案　i=50°时不能，i=30°时能，49°54' 解析　光由玻璃射入空气，是由光密介质射入光疏介质，其临界角满足sin C=， 代入数值得C=40°50' 当i=50°时，i>C，所以光将发生全反射，不会发生折射； 当i=30°时，i<C，所以光进入空气中发生折射现象。 由折射定律=， 代入数值得r=49°54'。 二、全反射现象 1.当熏黑的铁球放入水中时，球面和水之间形成空气层。日光从水照射到空气层时，会有部分光发生全反射，球看上去就变得锃亮了(如图)。 2.鱼缸中上升的气泡亮晶晶的，也是由于光射到气泡上发生了全反射。 3.沙漠蜃景 太阳照到沙地上，接近地面的热空气比上层空气的密度小，折射率也小。从远处物体射向地面的光，进入折射率较小的热空气层时被折射。当入射角大于临界角时发生全反射，人们逆着反射光看去，就会看到远处物体的倒景(如图)。 例2　(多选)夏天，海面上出现了蜃景，如图所示，下列说法正确的是(　　) A.海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要小 B.海面上上层空气的折射率比下层空气的折射率要大 C.A是景物，B是蜃景 D.A是蜃景，B是景物 答案　AD 解析　夏天海面上的下层空气的温度比上层低，下层空气的密度比上层大，折射率也比上层大，故A正确，B错误；远处的景物发出或反射的光线射向空中时，由于不断被折射，射向折射率较小的上一层空气层的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中，由此可知，题图中A是蜃景，B是景物，故C错误，D正确。 三、全反射棱镜 1.全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜。 2.全反射棱镜改变光路的几种情况 入射式 项目 一 二 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) 3.特点：全反射棱镜比平面镜的反射率高，几乎可达100%。反射面不必涂任何反光物质，反射失真小。 4.应用：双筒望远镜、潜望镜、自行车尾灯等。 (1)全反射棱镜可以使光线传播的方向改变90°。(　√　) (2)用任意一种材料制作的等腰直角三棱镜都是全反射棱镜。 (　×　) (3)全反射棱镜和平面镜相比，反射时能量损失要小。(　√　) 例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的全反射玻璃棱镜。下列选项给出了两棱镜的四种放置方式的示意图。其中能产生图中效果的是(　　) 答案　B 解析　四个选项的光路图如图所示： 可知B项正确。 四、光导纤维及其应用 1.光导纤维的工作原理 (1)光导纤维：把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，再包上折射率比它小的材料，就制成了光导纤维，简称光纤。 (2)传导原理：光纤一般由折射率较高的玻璃内芯和折射率较低的外层透明介质组成。光在光纤内传播时，由光密介质(n1)入射到光疏介质(n2)，若入射角i≥C，光就会在光纤内不断发生全反射。 (3)作用：传输光、图像或者其他信息。 (4)应用：光纤通信，医学及工业内窥镜等。 2.光纤通信的优点 光缆大大增加了声音、图像和数据量的传输，其通信容量远大于电缆。 (1)光导纤维内芯折射率比外套的折射率小。 (　×　) (2)光在光导纤维中传播时会在内芯与外套的界面上发生全反射。(　√　) (3)容量大和抗干扰能力强都是光纤通信的优点。(　√　) 例4　如图所示，一根长为L的直圆柱状光导纤维，当一束激光射向它的左端面中点，且光线与端面夹角为30°时，恰好不能从侧壁射出，光在真空中的传播速度为c。 (1)求该光导纤维的折射率； (2)调整激光束的入射方向，求光在光导纤维中经历的最长时间t。 答案　(1)　(2) 解析　(1)作出光路如图所示 根据折射定律有n=， 根据题意有n=， 由于光恰好不能从侧壁射出，可知光刚好在上下两侧发生全反射，即γ角为临界角C， 则有β+C=90°，根据临界角与折射率的关系有n=，解得n=。 (2)光在光纤内是以全反射的方式传播的，每次的入射角都大于或等于临界角，但等于临界角时路程最大，时间最长，如图所示，sin C==，Δs=nΔl，则总路程为s=nL，光在光导纤维中传播的速度v=，所以光在光导纤维中传播的最长时间为t===。 拓展　调整激光束的入射方向，光在光导纤维中经历的最短时间是多少？ 答案　 解析　由光路图可知，光在光导纤维中传播的最短总距离为s'=L，光在光导纤维中传播的速度v=，所以光在光导纤维中传播的最短时间为t短=，解得t短=。 课时对点练 [分值：100分] [1~3、5、6题，每题8分] 考点一　全反射及其产生条件 1.光线由某种介质射向与空气的分界面，当入射角大于等于45°时折射光线消失，由此可断定这种介质的折射率是(　　) A.n= B.n= C.n= D.n=2 答案　B 解析　当入射角大于等于45°时折射光线消失，临界角为45°，则这种介质的折射率n===，故B正确，A、C、D错误。 2.(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，由路面向上空气的折射率逐渐变大，太阳光斜向下射向路面过程中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。 3.(多选)如图所示，ABCD是两面足够大的平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的分界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ。光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光线到达界面Ⅰ时的入射角，则(　　) A.只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象 B.只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象 C.不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象 D.不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象 答案　CD 解析　在界面Ⅰ上光由空气射入玻璃砖，是由光疏介质射入光密介质，不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象，则选项A错误，C正确；在界面Ⅱ上光由玻璃射入空气，是由光密介质射入光疏介质，但是，由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，入射角总是小于临界角，因此光线在界面Ⅱ上也不会发生全反射现象，选项B错误，D正确。 4.(10分)(2024·莆田华侨中学高二期中)在一个半径为r的圆形轻木塞中心插一大头针，然后把它倒放在液体中，调节大头针插入的深度，当针头在水面下深度为d时，观察者不论在液面上方何处，都刚好看不到液体下方的大头针(如图所示)。求液体的折射率。 答案　 解析　如图 从A点发出的光到达B点恰以临界角C入射，因此sin C=，且sin C=，所以n=。 考点二　全反射棱镜 5.自行车上的红色尾灯不仅是装饰品，也是夜间骑车的安全指示灯，它能把来自后面的光线反射回去。某种自行车尾灯可简化为由许多整齐排列的等腰直角棱镜(折射率n>)组成，棱镜的横截面如图所示。一平行于横截面的光线从O点垂直AB边射入棱镜，先后经过AC边和CB边反射后，从AB边的O'点射出，则出射光线是(　　) A.平行于AC边的光线① B.平行于入射光线的光线② C.平行于CB边的光线③ D.平行于AB边的光线④ 答案　B 解析　由题意可知光线在棱镜与空气界面发生全反射的临界角满足sin C=<=sin 45°，即C<45°，根据几何关系可知光线在AC面的入射角为45°，所以光线在AC面发生全反射，反射光线平行于AB，而在BC面的入射角也为45°，也会发生全反射，最终垂直于AB射出棱镜，所以出射光线是平行于入射光线的光线②，故选B。 考点三　光导纤维的工作原理 6.光纤通信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错误的是(　　) 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.光纤通信有传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等多方面优点 D.医学上利用光纤制成内窥镜，来检查人体胃肠、气管等脏器 答案　B 解析　根据光导纤维原理可知，光从内芯向外套传播时发生全发射，则根据全反射的条件可知，内芯的折射率要比外套的大，故A正确，B错误；光纤通信具有传输容量大、衰减小、抗干扰性及保密性强等优点，故C正确；医学上用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体胃肠、气管等脏器的内部。它利用了光的全反射原理，故D正确。 [7~9题，每题9分] 7.(2024·莆田市高二月考)“水流导光”实验装置如图所示。长直开口透明塑料瓶内装有适量清水，在其底侧开一小孔，水从小孔流出，形成弯曲不散开的水流，用细激光束透过塑料瓶水平射向该小孔，观察到激光束没有完全被限制在水流内传播。下列操作中，能使激光束完全被限制在水流内传播的是(　　) A.从瓶口往瓶内打气 B.增大激光的强度 C.改用波长更长的激光 D.改用折射率更小的液体 答案　A 解析　当从瓶口往瓶内打气，则从孔中射出的水流速度会变大，水流轨迹会变得平直，激光在水和空气界面处的入射角会变大，则有大部分光会在界面处发生全反射，这种现象相当于光导纤维的导光现象，故A正确；当增大激光的强度时，不会改变光在水流中的入射角，光在水流中仍不会发生全反射，故B错误；若改用波长更长的激光或者折射率更小的液体，只能增大临界角，光从水中射向空气的入射角仍小于临界角，出现折射现象，故C、D错误。 8.一透明体的横截面如图所示，四分之一圆弧BC对应的半径为R，∠AOB=90°，∠OAB=60°，一单色光从OA面上的D点垂直OA射入透明体，经AB面反射后恰好在圆弧上的E点发生全反射，最终从OC上的F点(未标出)射出。已知弧BE长为，则透明体对该单色光的折射率为(　　) A. B. C.2 D. 答案　C 解析　根据已知条件作出的光路图如图所示 设∠EOB=θ，结合几何关系有Rθ=，得θ=， 由sin θ=，解得n=2，故选C。 9.(2025·三明市高二月考)单镜头反光相机简称单反相机，它用一块放置在镜头与感光部件之间的透明平面镜把来自镜头的图像投射到对焦屏上。对焦屏上的图像通过五棱镜的反射进入人眼中。如图为单反相机取景器的示意图，ABCDE为五棱镜的一个截面，AB⊥BC，光线垂直AB射入，分别在CD和EA上发生反射，且两次反射的入射角相等，最后光线垂直BC射出。若两次反射都为全反射，则该五棱镜折射率的最小值是(　　) A. B. C. D. 答案　A 解析　设入射到CD面上的入射角为α，因为在CD和EA上发生全反射，且两次反射的入射角相等，如图，根据几何关系有4α=90°，解得α=22.5°，当光刚好在CD和EA面上发生全反射时，该五棱镜的折射率最小，根据sin α=，解得最小折射率为n=，故A正确，B、C、D错误。 10.(13分)折射率为n、长度为L的玻璃纤维置于空气中，若从A端射入的光线能在玻璃纤维中发生全反射，最后从B端射出，如图所示，求： (1)(7分)光在A面上最大入射角的正弦值； (2)(6分)若要使从A端射入的光线不论入射角多大，都能在纤维中发生全反射，而从B端射出，纤维的折射率不能小于多少？ 答案　(1)　(2) 解析　(1)光路如图， 要在纤维中发生全反射，其临界角为C， 此时光在A面上入射角最大， 由临界角公式sin C=， 折射角θ2=90°-C，所以cos θ2=，sin θ2=， 由折射定律得sin θ1=nsin θ2= 故光在A面上最大入射角的正弦值为 (2)当入射角θ1=90°时，由(1)得n= 纤维的折射率不能小于。 [10分] 11.一束细光束由真空沿着径向射入一块半圆柱形透明体，如图甲所示，对其射出后的折射光线的强度进行记录，发现折射光线的强度随着θ的变化而变化，如图乙所示，则下列说法正确的是(　　) A.透明体的临界角为30° B.透明体的临界角为60° C.透明体的折射率为 D.透明体的折射率为 答案　B 解析　由题图乙可知，当θ小于等于30°，即入射角大于等于60°时，折射光线的强度为零，光线发生全反射现象，所以此透明体的临界角为60°，故选项A错误，B正确；由临界角公式sin C=，C=60°，解得折射率n=，故选项C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $