光的全反射条件及原理 高中物理光的全反射详解及例题解析

光的全反射条件及原理 高中物理光的全反射详解及例题解析

光的全反射

光疏介质

折射率较小的介质为光疏介质。

光密介质

相对于折射率较小的介质，折射率较大的介质为光密介质。

全反射

当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，折射角离法线会越来越远，而且越来越弱。反射光线却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下发射光，这种现象叫做全反射。这时的入射角叫做临界角。

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。

临界角

折射角等于90°时的入射角，若光从光密介质（折射率为n）射向真空或空气时，发生全发射的临界角为C，则sinC=1/n。介质的折射率越大，发生全发射的临界角越小。

应用

（1）全反射棱镜

（2）光导纤维

习题演练

1. 某三棱镜的横截面是直角三角形，折射率为n，如图1所示，∠A＝90°，∠B＝30°，∠C＝60°，底面BC涂黑，入射光沿平行于底面BC的方向射向AB面，经AB面和AC面折射后射出。

（1）求射出光线对入射光线的偏向角

；

（2）为使上述入射光线能从AC面射出，折射率n的最大值为多少？

解析：

（1）因入射光平行BC，故入射角i＝60°。

设折射角为α，由折射定律得：

设光线射至AC面上的入射角为β，折射角为r，如图2所示。

图2

由几何关系可知，

因此，

对AC面上的入射线和折射线，由折射定律得：

所以AC面上的射出光线与AB面上的入射光线的夹角

（2）为使光线能从AC面射出，在AC面上的折射角应满足

，即

解得：

因此该棱镜材料折射率的最大值为

。

2. 一根折射率为n的光导纤维，当光线的入射角小于某一个值i入射在光导纤维的端面上时（如图3），光才可能通过光导纤维从另一端射出，求证：

。

图3

光在光导纤维内部是通过多次的全反射传递的。设入射角为i的光经端面折射后的折射角为r，射至介质与空气的侧面时，若其入射角恰等于临界角C（如图），则折射角正好等于90°，折射线将沿着界面，也就是该光线能通过光导纤维传递出去。由此有

因为

，所以

当入射角小于i时，经端面折射入光导纤维时的折射角r减小，射至侧面时的入射角将大于临界角C，更满足全反射条件。因此，只要在入射角小于i的空间锥体内的光，都可以通过光导纤维从一端传到另一端去，故光能通过光导纤维从另一端射出的条件是