光密介质和光疏介质

第三节光的全反射现象

1．(3分)光从空气射入水中，当入射角变化时，则()

A．反射角和折射角都发生变化

B．反射角和折射角都不变

C．反射角发生变化，折射角不变

D．折射角变化，反射角始终不变

【解析】根据反射定律和折射定律判断A对．

【答案】A

2．(3分)关于光的折射下列说法错误的是()

A．折射光线一定在法线和入射光线所确定的平面内

B．入射线和法线与折射线不一定在一个平面内

C．入射角总大于折射角

D．光线从空气斜射入玻璃时，入射角大于折射角

【解析】根据折射定律，入射光线、折射光线和法线一定在同一平面内．B

错．入射角不一定总大于折射角．C错．

【答案】

3．(4分)一小球掉入一水池中，小球所受重力恰与其所受阻力和浮力的合力

相等，使小球匀速下落，若从水面到池底深h＝1.5m，小球3s到达水底，那么，

在下落处正上方观察时()

A．小球的位移等于1.5m

B．小球的位移小于1.5m

C．小球的运动速度小于0.5m

D．小球的运动速度仍等于0.5m

【解析】由于沿竖直方向看水中物体时，“视深”是实际深度的倍，所以

在上面的人看来，物体向下运动的位移h′＝，由于n>1，所以h′

B项正确，在上面的人看来，小球的运动速度v＝<0.5m，C项正确．

【答案】

课标

导思

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，能计算有关问题和解释相关现象．

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.

学生P

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一、光的全反射

1．全反射和临界角

(1)全反射：光从光密介质射向光疏介质时，逐渐增大入射角，会看到折射

光线离法线越来越远且越来越弱，反射光线会越来越强．当入射角增大到某一角

度，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做光的全反射．

(2)临界角：光从光密介质射入光疏介质，刚好发生全反射，即折射角等于

90°时的入射角．

2．全反射的条件

(1)光从光密介质射入光疏介质．

(2)入射角大于或等于临界角．

二、光导纤维的结构与应用

1．结构

光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到一百微米之间，由内芯和

外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光在光纤内传播时，在内芯和外套的

界面上发生全反射．

2．应用

(1)光纤通信：光信号能携带数码信息、电视图像和声音等，其主要优点是

容量大、衰减小、抗干扰性强．

(2)医学：用光导纤维制成内窥镜，用来检查人体的胃、肠、气管等内脏．

学生P

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一、对全反射现象的理解

1．光疏介质和光密介质

(1)光疏介质：折射率较小的介质(即传播速度大的介质)叫光疏介质．

(2)光密介质：折射率较大的介质(即传播速度小的介质)叫光密介质．

光疏介质和光密介质是相对而言的．

2．全反射

光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度，光线全部被反射

回原光密介质的现象．

3．临界角

光从光密介质射向光疏介质时，折射角等于90°时的入射角，用C表示．

4．产生全反射的条件

(1)光线从光密介质射向光疏介质．

(2)入射角等于或大于临界角．

5．光由光密介质射向光疏介质时，从能量角度分析，在入射角逐渐增大的

过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，一旦入射角等于临界

角，折射光线的能量实际上已减小为零，此时刚好发生全反射．

6．当光从介质射入空气(或真空)时，C＝.

7．介质的折射率越大，发生全反射的临界角就越小，越容易发生全反射．

二、光导纤维及其应用

1．光导纤维的工作原理

(1)光导纤维简称光纤，是把石英玻璃拉成直径为几微米到几十微米的细丝，

然后再包上折射率比它小的材料制成的．

(2)光导纤维之所以能传输信息，就是利用了光的全反射现象．

图4－3－1

如图4－3－1所示，它是由内芯和外套两层组成的，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，

就可以传输图像．

2．光导纤维的应用

(1)光纤通信原理：光纤通信是利用全反射的原理．

光纤通信的过程：先将声音信号转化为光信号，利用光纤传输光信号，最后

把光信号输出，到接收端再将光信号还原为声音信号．

(2)光纤通信的优点：光导纤维具有质地轻、弯曲自如、传光效率高、抗机

械振动、耐腐蚀性好、能量损耗小、抗干扰能力强、保密性好等优点，光纤通信

还有一个最大优点就是通信容量极大．光导纤维还可以用来制作光导潜望镜、医

用光导纤维内窥镜等．

一、全反射的临界条件分析

半径为R的半圆柱形玻璃，横截面如图4－3－2所示，O为圆心，

已知玻璃的折射率为，一束光以与平面成45°角的方向射向半圆柱形玻璃，求能

从射出的光束的宽度为多少？

图4－3－2

【导析】画出光路图，并确定出发生全反射的临界光线．

【解析】如图4－3－2所示，进入玻璃中的光线①垂直半球面，沿半径方

向直达球心位置O，且入射角等于临界角，C＝＝45°，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，射到面上的入射角均小于临界角，能从面上射

出．最右边射向半球的光线③与球面相切，入射角i＝90°，由折射定律知：γ

＝)＝，则γ＝45°.故光线③将垂直射出．所以在面上射出的光束宽度应是＝γ＝R.

【答案】R

解决这类全反射问题一般分三步，首先弄清楚是否满足发生全反射的条件，

光线在哪个界面发生全反射；其次是根据临界条件画出光路图，除找出刚好发生

全反射的光线外，有时还要找出特殊光线(如本题中的光线③)；最后利用光学知

识和几何知识进行推理和计算.

1．在厚度为d、折射率为n的大玻璃板下表面，有一个半径为r的圆形发

光面．为了从玻璃板的上方看不见这个圆形发光面，可在玻璃板的上表面贴一块

圆形纸片，问所贴纸片的最小半径应为多大？

【解析】根据题述，光路如图所示，图中S点为圆形发光面边缘上一点．由

该点发出的光线能射出玻璃板的范围由临界光线确定，当入射角大于临界角C

时，光线就不能射出玻璃板了．

图中Δr＝C＝C)，

而C＝，则C＝，

所以Δr＝.

故应贴圆纸片的最小半径R＝r＋Δr＝r＋.

【答案】r＋

二、光的全反射的应用

如图4－3－3所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n.光

从它的一个端面射入，又从另一个端面射出所需的最长时间为多少？(设光在真

空中的光速为c)

图4－3－3

【导析】由题中的已知条件可知，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．根据全反射条件：i≥C可知入射角等于临界角时，光线的路径最长，

所需时间也最长．

【解析】光导纤维的临界角为C＝，

光在光导纤维中传播的路程为d＝C)＝，

光在光导纤维中传播的速度为v＝，

所需最长时间为＝＝＝.

【答案】

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，与此题相似的一类求极值的问题，极值存在的条件均与全反射的临界角

有关.

2．光纤通信是一种现代通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的

通信服务．目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络．下列说法正确

的是()

A．光纤通信利用光作为载体来传递信息

B．光导纤维传递光信号是利用光的衍射原理

C．光导纤维传递光信号是利用光的色散原理

D．目前广泛应用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝

【解析】光纤是利用光的全反射现象而实现光作为载体的信息传递，光纤

是内芯折射率大于外层表皮折射率的很细的玻璃丝．

【答案】

1．关于光纤的说法，正确的是()

A．光纤是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大

B．光纤是非常细的特制玻璃丝，但导电性能特别好，所以它比普通电线衰

减小

C．光纤是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，光纤是利用全反

射原理来实现光的传导的

D．在实际应用中，光纤必须呈笔直状态，因为弯曲的光纤是不能传导光的

【解析】本题考查光导纤维的构成及应用．光导纤维的作用是传导光，它

是直径为几微米到一百微米之间的特制玻璃丝，且由内芯和外套两层组成，内芯

的折射率比外套的大．载有声音、图像及各种数字信号的激光传播时，在内芯和

外套的界面上发生全反射，光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点．在实

际应用中，光纤是可以弯曲的．所以，答案是C.

【答案】C

2．关于全反射，下列说法中正确的是()

A．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

B．光线从光密介质射向光疏介质时，一定会发生全反射现象

C．光从光疏介质射向光密介质时，不可能发生全反射现象

D．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，

在界面发生全反射

【解析】全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于

或等于临界角，发生全反射时全部光线均不进入光疏介质．

【答案】

3．一束光从空气射向折射率为n＝的某种玻璃的表面，i代表入射角，则()

A．当i>45°时，会发生全反射现象

B．无论入射角i是多大，折射角γ都不会超过45°

C．欲使折射角γ＝30°，应以i＝45°的角度入射

D．当入射角i＝时，反射光线跟入射光线恰好互相垂直

【解析】光从空气射入玻璃时，不会发生全反射，A项错。由折射定律可

知，B、C选项正确。当入射角为时，反射光线跟入射光线的夹角为2，D项错．

【答案】

4．如图，半圆形玻璃砖置于光屏的左下方．一束白光沿半径方向从A点射

入玻璃砖，在O点发生反射和折射，折射光在光屏上呈现七色光带．若入射点

由A和B缓慢移动，并保持白光沿半径方向入射到O点，观察到各色光在光屏

上陆续消失．在光带未完全消失之前，反射光的强度变化以及光屏上最先消失的

光分别是()

图4－3－4

A．减弱，紫光B．减弱，红光

C．增强，紫光D．增强，红光

【解析】光在传播时随入射角增大，反射光能量增强，折射光能量减少．根

据能量守恒定律可知，当折射光线变弱或消失时反射光线的强度将增强，故A、

B两项均错；在七色光中紫光频率最大且最易发生全反射，故光屏上最先消失的

光是紫光，故C项正确，D项错误．

【答案】C