【名师一号】2015年高中物理 第十三章 光 第二节 全反射课件 新人教版选修3-4

二、光导纤维
1．构造及传播原理：光导纤维是一种透明的玻璃纤维 丝，直径只有1～100 μm，如图所示，它是由内芯和外套两层 组成，内芯的折射率大于外套的折射率，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，光导纤维可以远 距离传播光，光信号又可以转换成电信号，进而变为声音、图 像．如果把许多(上万根)光导纤维合成一束，并使两端的纤维 按严格相同的次序排列，就可以传播图像．
ln2 由以上三式得t＝ ＝ c ，得n＝ c1 n· n l
答案 ct l
ct l.
(1)使入射光按图中顺时针方向逐渐偏转，如有色光射出 ab面，则哪种光首先射出？ (2)使入射光按图中逆时针方向逐渐偏转，哪种光首先射 出ab面？
【解析】
不论入射光顺时针还是逆时针绕O点旋转，只
要分析清楚在ab面上各色光的入射角的变化情况，若入射角小 于临界角，则不能发生全反射，从而射出．
(1)白光垂直入射ac面后直射到ab面，入射角为45° 发生全 反射，说明棱镜的临界角小于45° ，这是对红光到紫光所有光 而言的．当入射光顺时针偏转时，在ac面上发生色散，不同颜 色的光折射率不同，红光偏折小，紫光偏折大，如图所示．射 到ab面上时红光入射角小，紫光入射角大，但它们都大于45° . 另一方面棱镜对红光的临界角比紫光的临界角大，因此入射光 顺时针偏转时，在ab面上红光首先小于临界角而射出ab面．
A．n1>n2，α小于某一值 C．n1>n2，α大于某一值
B．n1<n2，α大于某一值 D．n1<n2，α小于某一值
解析 要使光信号在内芯和外套的界面上发生全反射，必 须让内芯的折射率n1大于外套的折射率n2，同时入射角须大于 临界角，故α应小于某一值，故A选项正确．
答案
A
二、在全反射情况中光线范围的确定
沿半径方向直达球心位置O，且入射角等于临界角，恰好在O 点发生全反射．光线①左侧的光线(如：光线②)经球面折射 后，射在MN上的入射角一定大于临界角，在MN上发生全反
射，不能射出．光线①右侧的光线经半球面折射后，射到MN 面上的入射角均小于临界角，能从MN面上射出．最右边射向 半球面的光线③与球面相切，入射角i＝90° ，由折射定律知 sinr 2 sini＝ n ＝ ，则r＝45° .故光线③将垂直MN射出．所以在 2 2 MN面上射出的光束宽度应是OE＝Rsinr＝ R. 2
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)从能量角度来理解全反射：当光从光密介质射人光疏 介质时，随着入射角增大，折射角也增大．同时折射光线强度 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．反射光的能 量等于入射光的能量． 3．不同色光的临界角：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，越易发生全反射．
纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此折射率 要比 2大些.
典例分析
举一反三 触类旁通
一、光的折射棱镜，它的主截面是等腰直角三
角形，如图所示，一束白光垂直入射到ac面上，在ab面上发生 全反射，若光线入射点O的位置保持不变，改变光的入射方向 (不考虑bc面反射的光线)则
【例2】
半径为R的半圆柱形玻璃，横截面如图所示，O 2 ，当光由玻璃射向空气时，
为圆心，已知玻璃的折射率为
发生全反射的临界角为45° .一束与MN平面成45° 的平行光束射 到玻璃的半圆柱面上，经玻璃折射后，有部分光能从MN平面 上射出，求能从MN平面上射出的光束的宽度为多少？
【解析】
如图所示，进入玻璃中的光线①垂直半球面，
A．r
B．1.5 r
C．2 r
D．2.5 r
解析 光线射到A或B，入射角大于临界角，C＝ 1 arcsinn， C＝42° ，此时发生全反射，由几何知识可知第二次到达 界面时垂直射出；同理A、B之间射入的光线都发生全反射， 由几何知识得△ABD和△FCD全等，所以CF＝AB，即CF＝ 2r，故C选项正确．
c 由光在光导纤维中传播的速度v＝n. d n2 L 则所需时间t＝v＝ c .
【答案】 n2 L c
名师点拨
光导纤维是全反射现象的应用，其构造由内芯
和外套组成，内芯的折射率大于外套，与此题相关的一类求极 值的问题，极值存在的条件均与全反射临界角有关．
巩固练习3
如图所示，AB为一直光导纤维，AB之间距
2．光导纤维的折射率：设光导纤维的折射率为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 1 sinθ1 射，如图所示，则有：sinC＝n，n＝ ，C＋θ2＝90° ，由以 sinθ2 上各式可得：sinθ1＝ n2－1.由图可知：当θ1增大时，θ2增
大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小，当θ1＝90° 时， 若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即解得n ＝ 2 ，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率，由于光导
离为l，使一光脉冲信号从光导纤维中间入射，射入后在光导 纤维和空气的界面恰好发生全反射，由A点传到B点所用时间 为t，求光导纤维所用材料的折射率n.
解析 光信号由A点进入光导纤维后，沿AO方向照射到O 点，此时的入射角为α，恰好为临界角，光在介质中的速度为 v，而沿水平方向的分速度为vsinα，沿水平方向传播的距离为 l. 设介质的折射率为n，则有 1 c sinα＝sinC＝n，n＝v，t＝ l . vsinα
(2)若入射光逆时针偏转，则到ab面的红光、紫光的入射角 都大于45° ，都发生全反射而不可能从ab面射出．
【答案】
见解析
巩固练习1
光导纤维是利用光的全反射来传输光信号
的．如图所示，一光导纤维内芯折射率为n1，外套折射率为 n2，一束光信号沿与界面成夹角α由内芯射向外套，要在界面 发生全反射，必须满足的条件是( )
【答案】 2 R. 2
名师点拨
从本题中看到解决全反射问题的关键：①准确
熟练地作好光路图；②抓住特殊光线的分析，求光线照射的范 围时，关键是如何找出边界光线．如果发生全反射，刚能发生 全反射时的临界光线就是一条边界光线，而另一条光线要分析 得出．
巩固练习2
在桌面上有一倒立的玻璃圆锥，其顶点恰好
与桌面接触，圆锥的轴(图中虚线)与桌面垂直，过轴线的截面 为等边三角形，如图所示．有一半径为r的圆柱形平行光束垂 直入射到圆锥的底面上，光束的中心轴与圆锥的轴重合．已知 玻璃的折射率为1.5，则光束在桌面上形成的光斑半径为( )
第二节
全反射
课标解读
明确要求 把握方向 学业有成
1．知道光疏介质、光密介质、全反射、临界角的概念． 2．理解全反射的条件，能够计算有关全反射的问题及解 释有关现象． 3．了解光导纤维的工作原理和光导纤维在生产、生活中 的应用．
教材知识梳理
感受自主学习 收获成果
一、光疏介质和光密介质
名称 项目 定义 传播速度 光疏介质 折射率较小的介质 光密介质 折射率较大的介质
知识图解
教材拓展提升
欲穷千里目 更上一层楼
一、全反射 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 光的传播速度 光疏介质 光密介质 大 小 折射率 小 大
(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．
2．全反射的条件 要发生全反射，必须同时具备两个条件： (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． 3．临界角与折射率的关系 1 光由介质射入空气(或真空)时，sinC＝n(公式)．
4．全反射的应用 (1)全反射棱镜：截面为等腰直角三角形的棱镜，利用全 反射改变光的方向． (2)光导纤维：由折射率较大的内芯和折射率较小的外套 组成，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射.
光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速 度小 (1)光从光疏介质射入光密介质时，折射角小于入射角 (2)光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角
折射特点
二、全反射现象 1．全反射及临界角的概念 (1)全反射：光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增 大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象． (2)临界角：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．
答案
C
三、关于光导纤维的应用 【例3】 如图所示，一根长L的直光导纤维，它的折射
率为n.光从它的一个端面射入，从另一个端面射出需要的最长 时间为多少？(设光在真空中的光速为c)
【解析】
由题中条件可知，要使光线从光导纤维的一端
射入，然后从它的另一端全部射出，必须使光线在光导纤维中 发生全反射现象，要使光线在光导纤维中经历的时间最长，就 必须使光线的路径最长，即光对光导纤维的入射角最小，光导 纤维的临界角为C. 1 此时入射角为临界角C＝arcsinn L 光在光导纤维中传播的路程d＝ ＝nL sinC