第一节 光的折射与全反射

物理（通用类）第一节光的折射与全反射一、光的折射二、全反射物理（通用类）一、光的折射在初中我们在初中已经学过，在同种均匀的介质中光是沿直线传播的，光在真空中的传播速度为3×108m/s。当光从一种介质进入另一种介质时，会产生方向上的变化，光的这种方向变化叫做折射。为了描述介质的这种性质，人们把光在真空中的速度c和光在介质中的速度v之比叫做介质的折射率，用n表示：由于光在真空中的速度大于光在任何介质中的速度，所以，其它介质的折射率都大于1。下表列出了几种介质的折射率。光为什么会发生折射现象呢？经过长期的理论和实验的研究，人们发现折射现象与光在介质中的传播速度有关。光在真空中的速度最大，‍在其它介质中的速度都小于此值。因此当光从真空射入其它不同的介质时，会发生不同程度的偏折，这种现象显示了介质对光的一种性质。vcn物理（通用类）几种介质的折射率金刚石2.42二硫化碳1.6玻璃1.5～1.9树脂1.5～1.8水晶1.55甘油1.47酒精1.36水1.33冰1.31空气1.00028由上表可以看出，空气的折射率非常接近于1（真空的折射率），有时我们就忽略这种差异，认为空气的折射率为1。当光从介质n1射入介质n2（例如从空气射入玻璃）时，入射光线和法线间的夹角θ1叫做入射角，折射光线和法线间的夹角θ2叫做折射角，如右图所示。n1sinθ1＝n2sinθ2人们把这个规律叫做光的折射定律，也叫斯涅耳定律。它们之间的定量关系是1621年荷兰数学家斯涅耳发现的。物理（通用类）二、全反射两种介质相比较，折射率大的称为光密介质，折射率小的称为光疏介质。光从光密介质射向光疏介质（例如从玻璃射向空气）时，入射角总是大于折射角。当入射角大于某一角度时，就出现了一种奇特现象。演示实验物理（通用类）当光从光密介质射向光疏介质，并且当入射角大于某一角度时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射现象。nsinC＝1×sin90°在全反射现象中，刚好发生全反射，即折射角等于90°时的入射角是一个很重要的物理量，叫做临界角。当光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角等于或大于临界角，就发生全反射现象，如下图所示。不同的介质，由于折射率不同，在空气中发生全反射现象的临界角也不一样。根据折射定律可得物理（通用类）从折射率表中查出物质的折射率，就可以用上式求出光从这种介质射到空气（或真空）时的临界角。水的临界角为48.8°，各种玻璃的临界角为32°～42°，金刚石的临界角为24.5°。金刚石经过一定方式的切割，进入其中的光线在金刚石内装经过多次全反射后可以从某个表面射出。由于几乎所有方向都能看到从金刚石中射出的光线，所以金刚石在光照下显得璀璨夺目，如下图所示。物理（通用类）人们常说的信息高速公路，就是用光导纤维来构架的通信网络。光导纤维简称光纤，它就是利用全反射现象传递信息的。现在市面上有一种儿童玩具叫做“满天星”，如左图所示，它由一个发光系统和数百根塑料丝组成。启动开关后，它一边发光，一边旋转，给人带来满天星斗的感觉。它的原理就是从塑料丝一端射进塑料丝内的光线，在丝的内壁多次发生全反射，沿着锯齿形路线由丝的另一端传了出来。塑料丝就像光导纤维一样。实用的光导纤维是用纯度极高的石英拉制成的极细的丝，直径在几微米到一百微米之间，由纤芯和包层组成。纤芯材料的折射率比包层的大，在纤芯中传播的光会在纤芯和包层的界面上发生全反射，使得光在光纤中沿纤芯传播，如右图所示。实际的光纤在包层外面还有一层缓冲涂覆层，其作用是保护光纤免受环境污染和机械损伤。物理（通用类）医学上用光导纤维制成内窥镜，如右图所示，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部。实际的内窥镜装有两组光纤，一组用来把光传送到人体内部用于照明，另一组用来观察。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传输到千里以外的另一端，实现光纤通信。光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰能力强。一对光纤的传输能力理论值为二十亿路电话，一千万路电视。现在网络已成为人们的生活必需品，各式各样的网络不论是电话网络，计算机网络，甚至是移动电话的GSM、CDMA网络，最终还是要靠光纤网络来连接。由于光纤传输的频宽是电缆传输的数百倍以上，且光纤通信的技术仍在不断地突破中，未来光纤网络仍具有相当的成长性，因此有人说20世纪是电的世纪，21世纪则是光的世纪。物理（通用类）练习6-11．若玻璃的折射率是1.52，水的折射率是1.33，求光在玻‍璃和水中的传播速度分别是多少？答案：2.0×108m/s；2.3×108m/s。2．当光由水射向玻璃时，会不会发生全反射？答案：不会。3．从各个角度观察盛着半杯水的玻璃水杯，能看到全反射现象吗？答案：从略低于水面的地方观察时能看到。4．举例说出生活中可以观察到全反射现象的实例。答案：炎热的公路、早晨的露珠、水中的气泡等。