实验目的

●观察光的全反射现象。

●验证光的全反射规律。

●测量玻璃全反射的临界角。

●测定玻璃的折射率。

实验原理

光从光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角。当入射角增大到一定程度，折射角会增大到90°，我们把此时的入射角称为临界角。如果入射角大于临界角，折射光线会完全消失，只剩下反射光，这种现象叫作全反射。

全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。图7-3-1中的等腰直角三角形表示一个全反射棱镜的横截面，它的两个直角边表示棱镜上两个相互垂直的镜面。在图7-3-1甲中，光线从棱镜的垂直面进入，在倾斜界面处发生全反射，使光束方向改变了90°。图7-3-1乙中，光线从倾斜面进入，分别在两个垂直界面处发生全反射，最后沿着与入射光线相反的方向射出，棱镜使光束方向改变了180°。在光学仪器里，常用全反射棱镜来改变光的传播方向。望远镜为了获得较大的放大倍数，镜筒要很长，使用两块全反射棱镜，就能缩短镜筒的长度，如图7-3-2所示。图7-3-1丙中，棱镜改变了光束的上下位置，可以使物像倒置。

图7-3-1　全反射棱镜

图7-3-2　双筒望远镜中的全反射棱镜

实验器材

光屏、激光发射器、半圆形玻璃砖、具有刻度的圆盘、全反射棱镜。

实验步骤

1.在光屏上依次放置刻度盘、玻璃砖，将半圆玻璃砖直边上的中点与圆盘的中心点重合，并固定在具有刻度的圆盘上，如图7-3-3所示。

图7-3-3　实验装置示意图

2.调整激光发射器，使其射出的光透过半圆玻璃砖的圆边入射到玻璃砖的直边中心（设为O点），并使其在玻璃砖直边的入射角为0°。

3.围绕O点旋转激光发射器，逐渐增大入射角，并注意观察反射光线和折射光线传播方向及强弱的变化；初步确定全反射临界角，并观察入射角大于临界角时的全反射光线是否发生变化。

4.随机改变入射角的大小，记录3组数据并填入下表，计算3次测量的玻璃砖的平均折射率并分别作出对应的光路图（为方便计算，空气的折射率近似取值为1，下同）。

5.旋转激光发射器，调整光源入射角度，使入射光线刚好在玻璃砖的直边界面上发生全反射。记录3组数据并填入下表，依据测量数据计算玻璃砖的平均折射率。

数据处理

6.取下半圆形玻璃砖，放置好全反射棱镜，转动全反射棱镜，使激光束照射棱镜不同的镜面，观察发生全反射时的现象。

7.根据观察到的现象画出光发生全反射时的光路示意图。

由光的折射定律可知，光从空气进入某种透明介质时，入射角i的正弦与折射角r的正弦的比值叫作该介质的折射率，即。由于光路是可逆的，当光从某种介质进入空气时，其折射率应该等于此时折射角i的正弦与入射角r的正弦的比值，仍为。根据实验数据分别求出n1、n2和n3，最后根据求出玻璃砖的折射率。

由临界角的定义和折射定律可知，将实验数据代入可以求出n′，进一步求出平均值。

比较n和n′的值，讨论分析两种测量方法产生误差的原因。

实验评价

思考与练习

一、填空题

1.光在给定的两介质中发生折射时，_______跟_______成正比。

2.光的折射定律也叫_______定律。实验表明，在光的折射现象中光路也是______的。

3.金刚石的折射率是_______，水晶的折射率是_______。(www.daowen.com)

4.发生全反射时，我们把折射角等于90°时的入射角称为_______。

5.相对于空气，水的临界角为_______，金刚石的临界角为_______。

6.实际用的光导纤维是非常细的玻璃丝，直径只有_______左右，由_______和_______组成。

二、选择题

1.激光切割机利用了激光的哪种特性？（　）

A.相干性好　B.平行度高　C.能量集中　D.单色性好

2.激光测距利用了激光的哪一特性？（　）

A.相干性好　B.平行度高　C.能量集中　D.单色性好

3.下列几种介质中折射率最大的是（　）。

A.金刚石　B.水晶　C.水　D.酒精

4.下列情况中不可能发生全反射的是（　）。

A.光从水中射入空气　B.光从空气射入水中

C.光从空气射入玻璃　D.光从玻璃射入水中

三、判断题

1.发生折射时，折射角一定比入射角小。（　）

2.光从真空中射入不同介质，当入射角一定时，折射角越小，表示该介质的折射率越大。（　）

3.介质的折射率越大，光在其中的传播速度越小。（　）

4.发生折射现象时，入射角扩大多少倍，折射角也同样扩大多少倍。（　）

5.水晶是光密介质，金刚石是光疏介质。（　）

四、问答作图题

1.在水中的鱼看来，水面上和岸上的所有景物，都出现在顶角是97°的倒立圆锥里。原因是什么？试画图说明。（光由水射入空气时的临界角可视为48.5°）

2.在清澈的水中，可以清楚地看到游动的鱼，但如果用鱼叉对准水中的鱼掷出，却总是叉不到鱼。有经验的渔民都知道，叉鱼时，只有瞄准鱼的下方才能叉到。试根据折射定律分析原因。如果水中的鱼要捕捉水面上的飞虫，它应该怎样做才能提高命中率？

3.在上题中，如果将鱼叉改为激光束，应该把激光束瞄准哪里？为什么？

实践活动

1.收集海市蜃楼的资料，分析海市蜃楼的成因。

2.2016年9月4日晚，在杭州西湖上演的G20峰会文艺晚会惊艳全球。其中，水上芭蕾《天鹅湖》中，一位“小天鹅”几个旋转之后，竟然幻化出几个小天鹅。瞬间，一群天鹅姑娘共舞，虚实相映，变幻绮丽，如入仙境。查找资料，了解这其中应用了什么技术，并简要说明。

情境小结

一、光的折射与全反射

1.光的折射定律内容是什么？什么是介质的折射率？

2.折射率和光速的关系是怎样的？

3.什么是光密介质和光疏介质？光从光疏介质射入光密介质时，折射角比入射角大还是小？光从光密介质射入光疏介质时情况又怎样？

4.什么是光的全反射？什么是临界角？发生全反射的条件是什么？

5.全反射有哪些应用？

二、激光的特性及其应用

1.什么是激光？激光有哪些特性？

2.激光在通信、医疗、工业和军事领域中有哪些应用？