光纤如何把光困住

当光从玻璃这样的密介质射向空气这样的疏介质时，会偏离法线折射。如果内部的角度增大超过某一数值，即临界角，光就再也无法逸出，会被完全反射回玻璃里，这就是全内反射。

光纤是一条细玻璃丝，其设计使得从一端进入的光总是以大于临界角的角度射到侧壁上。光靠反复的全内反射沿光纤弹进，几乎不损失能量，即使经过平缓的弯道，也能在远端清晰射出。

这以光脉冲的形式把电话和互联网信号传送到全国各地，也让医生能用内窥镜观察人体内部。

在 SPM 中，你应把全内反射与临界角联系起来，并解释光纤及类似的应用。

光与光学

背后的物理原理

全内反射由临界角决定：临界角是光在较密介质内的入射角，此时折射光线恰好沿边界以 90° 掠过。临界角 C 由材料的折射率 n 通过 sin C = 1/n 确定。

折射率是一个没有单位的比值，临界角则以度（°）为单位。

对于折射率 n = 1.50 的普通玻璃纤维，sin C = 1 ÷ 1.50 = 0.667，所以 C = 41.8°。任何以大于 41.8° 的角度射到光纤壁上的光线都会被完全反射回内部，因为此时光无法折射出玻璃。

两个条件是：光必须在光学上较密的介质中传播，且入射角必须大于 C。纤芯越密，n 越大，C 越小，于是能被困住的光线角度范围就越广，这正是光纤玻璃纤芯要做得比外围包层更密的原因。

在夜市里看到它

不必用实验室器材，你在夜市就能看到全内反射。光纤装饰灯是一束细塑料丝，底座有一颗小彩灯；从底部送入的光沿每一根丝弹进，只在被剪断的顶端逸出，于是丝的末梢像小星星般发亮，侧面却保持黑暗。

厨房里也有简易版：让水从瓶口稳稳流出，用手电筒从背后照进水柱，光就会顺着弯曲的水流走，把水流落入水槽的地方照亮，因为光不断在水的内表面反射。同样的效应也让刻花玻璃杯或透明塑料尺，在灯光从一端射入时，沿着抛光的边缘明亮地发光。

在每个例子里，光并不是被任何镀银层挡住的，而只是射到表面的角度太陡而无法离开，就和埋在马来西亚高速公路旁的通讯光纤里发生的完全一样。

SPM 中如何考

在试卷二中，这个概念属于“光与光学”这一章，常用的指令词有定义、说明、解释、描述和联系。你可能被要求定义临界角和全内反射，说明所需的两个条件，或用 sin C = 1/n 把临界角与折射率联系起来。

解释题和描述题常问一段光纤如何传送信号，或内窥镜如何让医生看到人体内部，所以你的答案应沿着纤芯追踪反复的反射。

这个课题与同一章的相邻子题直接相连：光的折射与折射率的意义，是理解临界角的前提；随后是凸、凹透镜的成像。它也与本章的自然现象有关，例如在马来西亚炎热马路上闪动的海市蜃楼，那是光在密度变化的空气中弯折造成的。

练习时应把这些概念联系起来，而不是彼此孤立地记。

来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)