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折射定律与全反射

Snell 定律 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂;密→疏超过临界角全反射;含插针法测 n(必做)

光学折射定律与全反射、干涉与衍射。

从这里开始

折射定律与全反射

光学实验:光从玻璃/水斜射向空气时的折射、临界角与全反射。三维水槽上调节入射角,观察 sin C = 1/n、i > C 时折射消失;对照光纤与插针法测折射率。

速记:光密→光疏 · sin C = 1/n · i > C → 全反射。

关键公式

  • n₁ sin i = n₂ sin r
  • sin C = n₂/n₁

操作提示

  1. 先分清光密→光疏与临界角定义。
  2. 在三维水槽上增大入射角,越过 C 观察全反射。
  3. 切换水/玻璃对比临界角;阅读插针法测 n。

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相关知识

按章节精读;在三维水槽上从光密射向空气,观察临界角与全反射,核对 sin C = 1/n。

思维导图

1. 方向:光密 → 光疏

本实验光线从玻璃或水斜射向空气。相对空气,玻璃/水是光密介质。折射角大于入射角,光线远离法线。

2. 斯涅尔定律

  • 三线共面;折射与入射分居法线两侧。
  • 只要尚未全反射,读数满足 n₁sin i = n₂sin r。
  • n₁ sin i = n₂ sin r斯涅尔定律(未全反射时)。

3. 临界角

当折射角达到 90° 时的入射角叫做临界角 C。再增大入射角就无法折射进入光疏介质。

  • 玻璃 n≈1.5 → C≈41.8°;水 n≈1.33 → C≈48.8°。
  • sin C = n₂/n₁空气侧 n₂≈1 时,sin C = 1/n₁。

4. 全反射条件

  • 光必须从光密介质射向光疏介质。
  • 入射角大于临界角:i > C。
  • 此时几乎没有折射光进入空气,反射角等于入射角。

5. 插针法测折射率(必做)

  1. 在半圆柱玻璃砖上插针定出入射、折射光路,测 i 与 r。
  2. 由 n = sin i_空气 / sin r_玻璃(或对调介质时用斯涅尔式)求折射率。
  3. 也可用临界角:测出 C 后 n = 1/sin C(玻璃→空气)。

6. 应用与易错

  • 光纤:纤芯折射率大于包层,大角度入射时在界面全反射,光被「关」在纤芯内传输。
  • 钻石火彩:高折射率 → 小临界角 → 更多光线在内部全反射后从台面射出。
  • 易错:空气射入水不会全反射;只有光密→光疏且 i>C 才发生。

应用

  • 光纤通信利用全反射远距离传光信号。
  • 钻石闪光、自行车尾灯与内窥镜也与全反射有关。

常见问题

空气射入水会全反射吗?

不会。全反射要求光从光密射向光疏,且入射角大于临界角。

临界角怎么算?

光密→空气时 sin C = 1/n。玻璃约 42°,水约 49°。

发生全反射的条件是什么?

光从光密进入光疏,且入射角大于临界角。

临界角与折射率有何关系?

sin C = n₂/n₁(由光密到光疏),相对折射率越大临界角越小。

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