3　光的全反射
1．知道什么是光疏介质，什么是光密介质．
2．理解光的全反射.
3．理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决有关的问题．
4．知道光导纤维及其应用．   
一、    全反射现象
光密介质和光疏介质
    光在其中传播的速度较小的介质，即折射率           的介质叫
               介质；光在其中传播的速度较大的介质，即折射率较小的介质叫              介质；
全反射现象：光从             介质进入              介质，光全部被反射回原介质中去的现象．
较大
光密
光疏
光密
光疏
三、全反射的应用－光导纤维
    光导纤维的构造：光纤有内、外两层材料，其中内层是         介质，外层是             介质．
    光导纤维的原理：光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角         临界角，从而发生              ．这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出．
光密
光疏
大于
全反射
一、光疏介质和光密介质
    光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义．例如：水晶(n＝1.55)对玻璃(n＝1.5)是光密介质，而对金刚石来说(n＝2.427)，就是光疏介质．同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，是不确定的．
光若从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角．
光疏和光密是从介质的光学特性来说的，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．
    光疏介质和光密介质的比较
    光疏介质和光密介质的比较表
特别提醒  光疏介质、光密介质是对确定的两种介质而言的．任何两种透明介质都可以通过比较光在其中速度的大小或折射率的大小来判定谁是光疏介质或光密介质．
二、全反射现象
全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解．当光线从光密介质射入光疏介质，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，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射．
    发生全反射的条件
    光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于或等于临界角．
全反射遵循的规律
光由光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律．有关计算仍依据反射定律进行．
对“海市蜃楼”的解释
由于空中大气的折射和全反射，会在空中出现“海市蜃楼”．在海面平静的日子，站在海滨，有时可以看到远处的空中出现了高楼耸立、街道棋布、山峦重叠等景象．这种景象的出现是有原因的．
当大气层比较平静时，空气的密度随温度的升高而减小，对光的折射率也随之减小，海面上空的空气温度比空中低，空气的折射率下层比上层大．我们可以粗略地把空气中的大气分成许多水平的空气层，如图4-31所示，下层的折射率较大．远处的景物发出的光线射向空中时，不断被折射，射向折射率较低的上一层的入射角越来越大，当光线的入射角大到临界角时，就会发生全反射现象．光线就会从高空的空气层中通过空气的折射逐渐返回折射率较低的下一层．在地面附近的观察者就可以观察到由空中射来的光线形成的虚像．这就是海市蜃楼的景象．如图4-3-2所示．
图4-3-1　　　　　　　图4-3-2
图4-3-3
【典例1】 如图4-3-4所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的界面，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，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则            (　　)．
对全反射现象的理解
图4-3-4
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
解析　在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不能发生全反射现象，则选项C正确．在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，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，因此也不会发生全反射现象，选项D也正确．
答案　CD
借题发挥　很多同学认为在本题中光到达界面Ⅱ时，只要入射角足够大就能发生全反射．这是一种比较隐蔽的全反射条件的考查，不能孤立地去讨论光在界面Ⅱ的光学情况，由于受折射定律的限制，在界面Ⅱ的入射角始终等于光在界面Ⅰ的折射角，即在界面Ⅱ上的入射角，始终达不到临界角，所以在很多问题中要注意全反射条件与折射定律的综合应用．
【变式1】
    当光从光密介质射入光疏介质时        (　　)．
    A．反射光的强度随入射角的增大而减小
    B．折射光的强度随入射角的增大而减小
    C．当入射角等于临界角时，折射光的强度等于零
    D．当入射角等于临界角时，反射光的强度等于零
    解析　反射光的能量随入射角的增大而增大，折射光的能量随入射角的增大而减小；当入射角等于或大于临界角时，则发生全反射现象，折射光的能量为零，故B、C正确．
    答案　BC
【典例2】 2009年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯·高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性的成就．若光导纤维是由内芯和包层组成，如图4-3-5所示，下列说法正确的是                            (　　)．
光导纤维的工作原理分析及应用
图4-3-5
A．内芯和包层折射率相同，折射率都大
B．内芯和包层折射率相同，折射率都小
C．内芯和包层折射率不同，包层折射率较大
D．内芯和包层折射率不同，包层折射率较小
解析　为了使光线不射出来，必须利用全反射，而发生全反射的条件是光从折射率较大的光密介质进入折射率较小的光疏介质，且入射角大于等于临界角，因此，内芯的折射率应大于包层的折射率，故选项D正确．
答案　D
借题发挥　对于光导纤维要明确以下几点：(1)光导纤维是传递光信号的，所以能通过光；(2)利用全反射的原理在传播过程中无有光泄漏，保证光在传播过程中能量损失最小；(3)光导纤维的内芯的折射率大于外套的折射率以保证发生全反射．
【变式2】
    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　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．C选项正确．
答案　C
彩虹是怎样形成的
2002年高考物理试卷(广东、河南、广西卷)中有一个关于彩虹的题目，大多数考生对彩虹的形成原理不清楚，对这一自然现象缺乏足够的了解，只知道彩虹与白光经三棱镜后形成的谱带相似，但不明确谱带是怎样经过反射、折射后形成的．下面介绍虹和霓的形成．
夏季，大雨初霁，在太阳对面的天空，常常飞挂一道灿烂夺目的半圆形彩带，这就是虹．有时虹的外围，还能看到一条颜色排列次序跟虹刚好相反、彩色稍淡的另一条彩带，这就是霓．
夏天雨过天晴，空气中还充斥着许许多多的小水滴．当平行的太阳光照射到球形、椭球形的水滴上，经过两次折射和一次反射，不同色光偏向角不同，因而相互分散开来，于是在太阳对面的天空出现了按波长的大小依次排列的外红内紫的彩色光弧－虹．
彩虹的形成与白光通过三棱镜后发生色散相似．光线经折射、反射后，出射方向和入射方向之间的夹角称为偏向角，不同色光的折射率不同，偏向角不同，因而分散开来．
图4-3-6
如图4-3-6所示，光线进出水滴共经过两次折射，每次偏转角都为：(i－r)，共偏转：2(i－r)；在水滴内全反射一次，方向改变：(π－2r)，故总偏向角为：D1＝π＋2i－4r
据折射定律：sin i＝nsin r
红光的折射率小，折射角大，偏向角较小；紫光的折射率大，偏向角较大．
图4-3-7
如图4-3-7所示，观察者看到的太阳光谱，不是由一个雨滴，而是由大量雨滴色散共同构成的．光谱由上到下排列顺序是：红、橙、黄、绿、蓝、紫．图4-3-7中画出的只是一个侧面图，实际观察到的是如图4-3-8所示的弧．
霓的形成原理和虹差不多，只不过形成霓的光线在水滴中要经过两次反射和两次折射．如图4-3-9所示，光线两次折射共偏转：2(i－r)，
两次全反射，共偏转：2(π－2r)，
故总偏向角为：D2＝2π＋2i－6r
同理，红光的折射率小，折射角大，偏向角小；紫光的折射率大，偏角大(注意D1与D2的区别)，比较436和439发现霓跟虹的色带排列刚好相反，即上为紫，下为红．因为多了一次反射，多失去一点能量，所以霓的光带色彩不如主虹鲜明．




图4-3-8
图4-3-9
【典例3】 如图4-3-10所示为玻璃制成的圆柱体，
    它的折射率为，一细光线垂直圆柱体的轴线以i1＝60°的入射角射入圆柱体．
    (1)作出光线穿过圆柱体并射出圆柱体的光路图．
    (2)求出该光线从圆柱体中射出时，出射光线偏离原入射光线方向的角．
图4-3-10