全反射与光导纤维课件

4.64.6 全反射全反射1 1、光疏介质和光密介质：、光疏介质和光密介质：同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折同介质的折射率不同，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质射率较大的介质称为光密介质光疏介质和光密介质是相对的光疏介质和光密介质是相对的1 13 3N NN N A AO OB B1 12 2空气N NN N A AO OB B一、全反射一、全反射介质 1空气介质2介质介质1 1相对介质相对介质2 2是光疏介质是光疏介质介质介质1 1与介质与介质2 2相对空气都是光密介质相对空气都是光密介质2 23 3n nn n2 2 既然光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，既然光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，由此可以预料，由此可以预料，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到大到90901 12 2介质介质N NN N A AO OB B空气空气1 12 2介质介质N NN N A AO OB B空气空气折射角折射角2 2 为为9090时，会发生什么情况？时，会发生什么情况？2 2、光由光密介质射入光疏介质折射角的变化、光由光密介质射入光疏介质折射角的变化光由光密介质射入光疏介质时，同时发生反射和折射，光由光密介质射入光疏介质时，同时发生反射和折射，折射角大于入射角，随着入射角的增大，反射光线越来越强，折射角大于入射角，随着入射角的增大，反射光线越来越强，折射光线越来越弱，当折射角增大到折射光线越来越弱，当折射角增大到9090时，折射光线完全时，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射全反射折射角折射角2 2 为为9090时，发生全反射现象时，发生全反射现象1 13 3介质N NN N A AO OC C空气1 12 2介质N NN N A AO OB B空气3 3C C3 3、全反射、全反射1 13 3光密介质光密介质N NN N A AO OC C光疏介质光疏介质1 1、概念：在研究全反射现象中，刚好发生全反射的，、概念：在研究全反射现象中，刚好发生全反射的，即折射角等于即折射角等于9090时的入射角是一个很重要的物理量，时的入射角是一个很重要的物理量，叫做临界角临界角用叫做临界角临界角用C C 表示表示当光线从当光线从光密介质射入光疏光密介质射入光疏介质介质时，如果入射角等于或大于时，如果入射角等于或大于临界角，就发生全反射现象临界角，就发生全反射现象1 1 临界角临界角发生全反射现象发生全反射现象二、临界角二、临界角2 2、临临界界角角的的计计算算：光光从从折折射射率率为为n n的的某某种种介介质质射射到到空空气气(或或真真空空)时时的的临临界界角角C C 就就是是折折射射角角等等于于9090时时的的入入射射角角，根据折射定律可得：根据折射定律可得：因而因而 ：3 3、发生全反射的条件、发生全反射的条件 光从光密介质进入光疏介质；光从光密介质进入光疏介质；入射角等于或大于临界角入射角等于或大于临界角 弯弯曲曲的的玻玻璃璃棒棒能能传传光光三、全反射现象的应用三、全反射现象的应用1 1、光导纤维、光导纤维全反射现象是自然界里常见的现象，我们常听全反射现象是自然界里常见的现象，我们常听到的到的“光纤通信光纤通信”就是利用了全反射的原理，为就是利用了全反射的原理，为了说明光导纤维对光的传导作用，我们做下面的了说明光导纤维对光的传导作用，我们做下面的实验实验光导纤维光导纤维光导纤维是非常细的特光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微制玻璃丝，直径只有几微米到几百微米之间，由内米到几百微米之间，由内芯与外套两层组成内芯芯与外套两层组成内芯的折射率比外套的大，光的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界传播时在内芯与外套的界面上发生全反射面上发生全反射 把光导纤维聚集成束，把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相对使其两端纤维排列的相对位置相同，图像就可以从位置相同，图像就可以从一段传到另一端了一段传到另一端了光导纤维 光导纤维的用途很大，医学上将其制成内窥光导纤维的用途很大，医学上将其制成内窥镜，用来检查人体内脏的内部镜，用来检查人体内脏的内部内窥镜的结构内窥镜的结构 光导纤维在光导纤维在医学上的应用医学上的应用光导纤维的用途很大，通过它可以实现光纤通信光导纤维的用途很大，通过它可以实现光纤通信光纤光纤光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强虽然光纤通信的发展历史只有虽然光纤通信的发展历史只有2020多年的，但是发展的速度是多年的，但是发展的速度是惊人的惊人的2 2、全反射棱镜、全反射棱镜1 1）光线由）光线由ABAB面垂直入射，面垂直入射，在在ACAC面发生全反射，垂直面发生全反射，垂直由由BCBC面出射面出射横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜镜2 2）光线由）光线由ACAC面垂直入射，在面垂直入射，在ABAB、BCBC面发生两次全反射，面发生两次全反射，垂直由垂直由ACAC面出射面出射变化变化90 90 变化变化180 180 全反射棱镜全反射棱镜 在光学仪器里，常用全反射棱镜来代替平面镜，在光学仪器里，常用全反射棱镜来代替平面镜，改变光的传播方向望远镜为了提高倍数，镜筒要很改变光的传播方向望远镜为了提高倍数，镜筒要很长，通过使用全反射棱镜能够缩短镜筒的长度长，通过使用全反射棱镜能够缩短镜筒的长度全反射棱镜全反射棱镜一般的平面镜都是在玻璃的后面镀银，我们在以前讨一般的平面镜都是在玻璃的后面镀银，我们在以前讨论平面镜成像都只考虑这个银面的反射，实际上由于平论平面镜成像都只考虑这个银面的反射，实际上由于平面镜玻璃的前表面对光线的反射，形成多个虚像，其中面镜玻璃的前表面对光线的反射，形成多个虚像，其中第一次被玻璃前表面反射而形成的虚像第一次被玻璃前表面反射而形成的虚像S S 是最明亮的是最明亮的平面镜玻璃的前表面平面镜玻璃的前表面平面镜玻璃的后表面平面镜玻璃的后表面全反射棱镜全反射棱镜 对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，对于精密的光学仪器，如照相机、望远镜、显微镜等，就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像就需要用全反射棱镜代替平面镜，以消除多余的像 当然，如果在玻璃的前表面镀银，就不会产生多个像，当然，如果在玻璃的前表面镀银，就不会产生多个像，但是前表面镀银，银面容易脱落但是前表面镀银，银面容易脱落3 3、海市蜃楼、海市蜃楼例例1 1、如图所示，、如图所示，ABCDABCD是透明玻璃砖，是透明玻璃砖，ABAB面和面和CDCD面平行，它们分面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面别是玻璃和空气的界面，设为界面和界面和界面，光线从界面，光线从界面射射入玻璃砖，再从界面入玻璃砖，再从界面射出，回到空气中，如果改变光到达界面射出，回到空气中，如果改变光到达界面的入射角，则的入射角，则 ()()A A、只要入射角足够大，光线在界面、只要入射角足够大，光线在界面上可能发生全反射现象。上可能发生全反射现象。B B、只要入射角足够大，光线在界面、只要入射角足够大，光线在界面上可能发生全反射现象。上可能发生全反射现象。C C、不管入射角多大，光线在界面、不管入射角多大，光线在界面上都不可能发生全反射现象。上都不可能发生全反射现象。D D、不管入射角多大，光线在界面、不管入射角多大，光线在界面上都不可能发生全反射现象上都不可能发生全反射现象。CD例例2 2、如图所示是半圆柱（透光）的主截面，其折射、如图所示是半圆柱（透光）的主截面，其折射率为率为 平行光束与半圆柱平面成平行光束与半圆柱平面成4545入射，试入射，试作出光线从半圆面射出的范围作出光线从半圆面射出的范围 5.5.空气中有一折射率为空气中有一折射率为 的玻璃柱体，其横截面是圆的玻璃柱体，其横截面是圆心角为心角为9090，半径为，半径为R R的扇形的扇形OABOAB，一束平行光平行于，一束平行光平行于横截面，以横截面，以4545入射角照射到入射角照射到OAOA上，上，OBOB不透光，若只不透光，若只考虑首次入射到圆弧考虑首次入射到圆弧ABAB上的光，则弧上的光，则弧ABAB上有光透出部上有光透出部分的弧长为分的弧长为 ()()【解析解析】光路图如图所示，光路图如图所示，设在设在E E点恰好发生全反射，点恰好发生全反射，由由sinC=1/n sinC=1/n 可求得可求得C=45C=45，由由 n=sinn=sin1 1/sin/sin2 2，得得2 2=30=30，故故AOE=15AOE=15.弧弧ABAB上有光透出的部分弧长上有光透出的部分弧长EDED为：为：B2.2.如图所示是一透明的圆柱体的横截面，其半径如图所示是一透明的圆柱体的横截面，其半径R=20 cmR=20 cm折射率为折射率为 ，ABAB是一条直径，今有一束平行光沿是一条直径，今有一束平行光沿ABAB方向射方向射向圆柱体，试求：（向圆柱体，试求：（1 1）光在圆柱体中的传播速度；）光在圆柱体中的传播速度；（2 2）距离直线）距离直线ABAB多远的入射光线，折射后经过多远的入射光线，折射后经过B B点点.解析解析 ：（1 1）光在圆柱体的传播速度）光在圆柱体的传播速度（2 2）设光线）设光线PCPC经折射后经过经折射后经过B B点，点，由折射定律有：由折射定律有：又由几何关系有：又由几何关系有：=2=2 由以上两式解得由以上两式解得=60=60光线光线PCPC离直线离直线ABAB的距离的距离 圆形界面的法线一定通过圆心，当光线沿着半径方向圆形界面的法线一定通过圆心，当光线沿着半径方向入射或出射时，传播方向不变，传播速度发生变化。入射或出射时，传播方向不变，传播速度发生变化。题后反思：题后反思：思考：经过思考：经过B B点的光线能否发生折射？点的光线能否发生折射？经过经过B B点的光线能发生折射点的光线能发生折射例例3 3、如图一透明圆柱体的横截面、如图一透明圆柱体的横截面,半径为半径为R=20cmR=20cm，折射率为，折射率为1.7321.732，ABAB是一条直径，有一平行光束沿是一条直径，有一平行光束沿ABAB方向射向圆柱体，试求方向射向圆柱体，试求:(1)(1)光在圆柱体中的传播速度。光在圆柱体中的传播速度。2)2)距离直线距离直线ABAB多远的入射光线，折射后恰经过多远的入射光线，折射后恰经过B B点。点。例例1、如如图图所示，空气中有一所示，空气中有一块块横截面呈扇形的玻璃横截面呈扇形的玻璃砖砖，折射率，折射率为为 .现现有一有一细细光束，垂直射到光束，垂直射到AO面上，面上，经经玻璃玻璃砖砖反射、折射反射、折射后，后，经经OB面平行返回，面平行返回，AOB为为135，圆圆的半径的半径为为r，则则入射入射点点P点距点距圆圆心心O的距离的距离为为 ()A.r B.r Crsin7.5 Drsin15如如图过图过D点作法点作法线线，光，光线线在在D点折射点折射时时，解析：解析：由于由于AOB135，可知折射角，可知折射角为为45，连连接接OC，由光的反射定律知，由光的反射定律知PCO7.5，POrsin7.5.又由几何关系知又由几何关系知PCD15，C.由光的折射定律由光的折射定律 ，i30.例例2、光光线线以以60的入射角从空气射入玻璃中，折射光的入射角从空气射入玻璃中，折射光线线与反射光与反射光线线恰好垂直恰好垂直(真空中光速真空中光速c3.0108 m/s)(1)画出折射光路画出折射光路图图(2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传传播速度播速度(3)当入射角当入射角变为变为45时时，折射角，折射角为为多大？多大？(4)当入射角增大或减小当入射角增大或减小时时，玻璃的折射率是否，玻璃的折射率是否变变化？化？说说明理由明理由(1)由由题题意知入射角意知入射角160，反射角，反射角360折射角折射角2906030，折射光路折射光路图图如如图图所示所示(4)折射率不会折射率不会变变化，折射率由介化，折射率由介质质和入射光的和入射光的频频率决定，而率决定，而跟入射角的大小无关跟入射角的大小无关例例3.3.如图，直角玻璃三棱镜置于空气中，已知如图，直角玻璃三棱镜置于空气中，已知A A6060，C C9090，一束极细的光于，一束极细的光于ACAC的中点的中点D D垂直垂直ACAC面入射，面入射，ADADa a，棱，棱镜的折射率镜的折射率n n ，求：，求：(1)(1)光从棱镜第一次射入空气时的折射角光从棱镜第一次射入空气时的折射角(2)(2)光从进入棱镜到它第一次射入空气所经历的时间光从进入棱镜到它第一次射入空气所经历的时间(设光在真空中设光在真空中传播速度为传播速度为c c)C45，i145，发发生全反射生全反射解析：解析：(1)如如图图所示，所示，i160，设设全反射全反射临临界角界角为为C，i2i13030C，存在折射，存在折射现现象象