高中物理：光的折射和全反射

一、光的反射和折射

（一）反射定律

反射光線和入射光線、界面的法線在同一平面內，反射光線和入射光線分別位于法線的兩側，反射角等于入射角。

（二）光的折射

1、定義：光由一種媒質進入另一種媒質或在同一種不均勻媒質中傳播時，方向發生偏折的現象叫做光的折射。

2、圖示：如圖所示，AO為入射光線，O為入射點，OB為反射光線，OC為折射光線。

（1）入射角：入射光線與法線間的夾角i叫做入射角。

（2）折射角：折射光線與法線間的夾角r叫做折射角。

3、折射定律：折射光線位于入射光線與法線所決定的平面內，折射光線和入射光線分別位于法線兩側，入射角的正弦與折射角的正弦成正比。

這就是光的折射定律，也稱斯涅爾定律（斯涅爾是荷蘭數學家）。

4、折射率

（1）光從真空射入某種介質時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質的折射率。折射率用n表示。即。

（2）某種介質的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質中的傳播速度v之比。即：。

由于v＜c，所以任何介質的折射率都大于1。

5、光疏介質與光密介質

（1）概念

① 光疏介質：兩種介質中折射率較小的介質叫做光疏介質。

② 光密介質：兩種介質中折射率較大的介質叫做光密介質。

（2）理解

① 光疏介質與光密介質是相對而言的。只有對給定的兩種介質才能談光疏介質與光密介質。沒有絕對的光密或光疏介質。

② 光疏介質與光密介質的界定是以折射率為依據的，與介質的其他屬性（如密度等）無關。

③ 當光從光疏介質進入光密介質時，折射角小于入射角；當光從光密介質進入光疏介質時，折射角大于入射角。

二、全反射和臨界角

1、全反射：當光從光密介質進入光疏介質時，折射角大于入射角。當入射角增大到某一角度時，折射角等于90°，此時，折射光完全消失，入射光全部返回原來的介質中，這種現象叫做全反射。

2、臨界角

（1）定義：光從光密介質射向光疏媒質時，折射角等于90°時的入射角，叫做臨界角，用字母C表示。臨界角是指光由光密介質射向光疏媒質時，發生全反射現象時的最小入射角，是發生全反射的臨界狀態，當光由光密媒質射入光疏媒質時：

若入射角i＜C，則不發生全反射，既有反射又有折射現象。

若入射角i≥C，則發生全反射現象。

（2）臨界角的計算。

3、全反射的應用：光導纖維——光纖通訊

三、棱鏡和光的色散

1、棱鏡

（1）定義：各平面相交的透明體叫做棱鏡。通常把橫截面為三角形的棱鏡叫三棱鏡。

（2）作用：① 改變光的傳播方向；② 分光。

2、通過棱鏡的光線

（1）棱鏡對光線的偏折規律：如圖所示

①通過棱鏡的光線要向棱鏡底面偏折；

②棱鏡要改變光的傳播方向，但不改變光束的性質。

a.平行光束通過棱鏡后仍為平行光束；

b.發散光束通過棱鏡后仍為發散光束；

c.會聚光束通過棱鏡后仍為會聚光束。

③出射光線和入射光線之間的夾角稱為偏向角。

（2）棱鏡成像（如圖）

隔著棱鏡看物體的像是正立的虛像，像的位置向棱鏡頂角方向偏移。

3、全反射棱鏡

（1）定義：橫截面為等腰直角三角形的棱鏡叫全反射棱鏡。

（2）全反射棱鏡對光路的控制如圖所示：

（3）全反射棱鏡的優點：

全反射棱鏡和平面鏡在改變光路方面，效果是相同的，相比之下，全反射棱鏡成像更清晰，光能損失更少。

4、光的色散

（1）光的色散：把復色光分解為單色光的現象叫光的色散。

白光通過棱鏡后，被分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫七種顏色（如圖）。

（2）正確理解光的色散：

①光的顏色由光的頻率決定。組成白光的各種單色光中，紅光頻率最小，紫光頻率最大。在不同介質中，光的頻率不變。

②不同頻率的色光在真空中傳播速度相同。為c=3×10⁸m/s。但在其他介質中速度各不相同，同一種介質中，紫光速度最小，紅光速度最大。

③同一介質對不同色光的折射率不同，通常情況下頻率越高，在介質中的折射率也越大，所以白 光進入某種介質發生折射時，紫光偏折得最厲害，紅光偏折最小。

④由于色光在介質中傳播時光速發生變化，則波長也發生變化。同一色光在不同介質中，折射率大的光速小，波長短；折射率小的光速大，波長長。不同色光在同一介質中，頻率高的折射率大，光速小，波長短；頻率小的折射率小，光速大，波長大。

 例1、在折射率為n，厚度為d的玻璃板上方的空氣中有一點光源S，從S發出的光線SA以入射角θ射到玻璃板上表面，經過玻璃板后從下表面射出，如圖所示，若沿此光線傳播的光從光源到玻璃板上表面的傳播時間與在玻璃板中的傳播時間相等，點光源S到玻璃板上表面的垂直距離應是多少？

解析：設點光源S到玻璃板上表面的垂直距離為L，光線在玻璃中的折射角為r，則光線從S到玻璃板上表面的傳播距離為，光線從S到玻璃板上表面的傳播時間為；光線在玻璃中的傳播距離為，光線在玻璃中的傳播時間為，根據題意，得

                          ①

由折射定律得。

因為，

所以，，代入①式得

。

例2、從桌面上有一倒立的玻璃圓錐，其頂點恰好與桌面接觸，圓錐的軸（圖中虛線）與桌面垂直，過軸線的截面為等邊三角形，如圖所示，有一半徑為r的圓柱形平行光束垂直入射到圓錐的底面上，光束的中心軸與圓錐的軸重合。已知玻璃的折射率為1.5 ，則光束在桌面上形成的光斑半徑為（     ）

A. r         B. 1.5r             C. 2r            D. 2.5r

解析：如圖所示，光線射到A或B時，入射角大于臨界角，發生全反射，而后由幾何關系得到第二次到達界面的時候垂直打出。O點為?ABC的重心，設EC=x，則由幾何關系得到：。解得光斑半徑x=2r

答案：C

例3、如圖所示，AB為一直光導纖維，AB之間距離為s，使一光脈沖信號從光導纖維中間入射，射入后在光導纖維與空氣的界面上恰好發生全反射，由A點傳輸到B點所用時間為t，求光導纖維所用材料的折射率n。

解析：光信號由A點進入光導纖維后，沿AO方向照射到O點，此時入射角α恰好等于臨界角。光在此介質中的速度為v，而沿水平方向的分速度為vsinα，沿水平方向傳播的距離為s。

解：設介質的折射率為n，則有

 ，

由以上的三式解得，所以。

▍ 編輯：Wulibang（ID：2820092099）