【教案】全反射+教案-2022-2023學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第一冊

.2全反射〖教材分析〗教材通過展示水中的氣泡為什么更明亮，引入本課。在學(xué)習(xí)全反射之前還要明確幾個(gè)概念，雖然全反射現(xiàn)象在日常生活中經(jīng)常能遇到，但本節(jié)要探討光發(fā)生全反射的條件以及相關(guān)應(yīng)用。全反射及其發(fā)生的條件是本節(jié)的重點(diǎn)，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，幫助他們形成物理觀念的重要載體。全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維是對全反射原理的應(yīng)用，這部分內(nèi)容有利于開闊學(xué)生視野，加深對全反射的認(rèn)識?！冀虒W(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念∶知道光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的概念，理解光的全反射現(xiàn)象。科學(xué)思維∶利用全反射的知識能夠畫相應(yīng)的光路圖和計(jì)算。科學(xué)探究：通過實(shí)驗(yàn)觀察全反射現(xiàn)象，能解釋生活中的全反射現(xiàn)象?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任∶了解光導(dǎo)纖維的工作原理及光纖技術(shù)對社會經(jīng)濟(jì)生活的重大影響，培養(yǎng)社會責(zé)任感?！冀虒W(xué)重難點(diǎn)〗教學(xué)重點(diǎn)：全反射及其發(fā)生的條件。教學(xué)難點(diǎn)：全反射及其發(fā)生的條件和相關(guān)的計(jì)算問題，以及畫好光路圖?！冀虒W(xué)準(zhǔn)備〗水、激光、玻璃磚、量角器等?！冀虒W(xué)過程〗一、新課引入（播放動圖）水中的氣泡看上去特別明亮，這是為什么呢？二、新課教學(xué)（一）全反射要理解全反射的概念，得先嗎明確光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的概念。我們已經(jīng)知道不同介質(zhì)的折射率通常是不同的，物理上把兩種介質(zhì)折射率相對較小的叫做光疏介質(zhì)，折射率相對較大的小做光密介質(zhì)。即光疏介質(zhì):兩種介質(zhì)中，折射率相對較小的介質(zhì)。光密介質(zhì):兩種介質(zhì)中，折射率相對較大的介質(zhì)。要注意，這里的疏和密都是相對的。比如水、玻璃和空氣三種物質(zhì)相比較，水對玻璃來說是光疏介質(zhì)。但對空氣來說就是光密戒。根據(jù)折射定率，顯然光線由光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角，而光線由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角。思考：光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角不斷增大，使折射角增大到90o時(shí)，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？演示:觀察全反射現(xiàn)象如圖，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個(gè)邊與空氣的界面上會發(fā)生反射和折射。逐漸增大入射角，觀察反射光線和折射光線的變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)光射到圓心時(shí)，一部分折射到空氣中，另一部分光會反射回玻璃磚內(nèi)，再垂直于半圓面回到空氣中。保持玻璃磚的位置不變，逐漸增大光線的入射角，折射角也會對應(yīng)的增大。并且能夠觀察到折射光線越來越弱，反射光線越來越強(qiáng)。（播放動圖展示該過程）分析：此時(shí)由于光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，折射角大于入射角。所以當(dāng)折射角達(dá)到90度時(shí)，入射角仍然小于90度。如果繼續(xù)增大入射角，就會發(fā)現(xiàn)折射光線完全消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就叫做全反射。全反射：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角增大到某一角度，光線全部被反射回光密介質(zhì)的現(xiàn)象。從這個(gè)定義可以看出，發(fā)生全反射的條件有兩個(gè)。①光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。如圖所示，當(dāng)光由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，由于折射角小于入射角，雖然隨著入射角的增大，折射角也增大。但肯定是入射角先增大了90度，所以折射角是不可能達(dá)到90度的。也就是說這種情況下不會發(fā)生全反射。只有光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，由于折射角大于入射角，隨著入射角的增大，折射角會先到達(dá)90度。繼續(xù)增大入射角，折射光線就會消失，發(fā)生全反射。從剛才的這個(gè)過程不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)生全反射的第二個(gè)條件就是入射角要足夠大。②就是入射角要足夠大思考與討論由于不同介質(zhì)的折射率不同，在光從介質(zhì)射入空氣（真空）時(shí)，發(fā)生全反射的臨界角是不一樣的。怎樣計(jì)算光從折射率為n的某種介質(zhì)射入空氣（真空）發(fā)生全反射時(shí)的臨界角C？分析：只有當(dāng)入射角大于等于臨界角時(shí)才會發(fā)生全反射。物理上光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，折射角等于90度時(shí)的入射角叫做臨界角，用字母C表示。臨界角（C）：光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，折射角等于90度時(shí)的入射角。根據(jù)折射定律可以列出這么個(gè)方程變形就得到了臨界角c的計(jì)算公式為從這個(gè)關(guān)系式可以看出，介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角越小。以下是常見物質(zhì)的反射角。介

質(zhì)水玻璃金剛石折射率n1.331.5~1.9n＝2.42臨界角C48.8

°32

°~

42

°24.4

°解釋課前引入的問題。水中或玻璃中的氣泡，看起來特別明亮，就是因?yàn)楣鈴乃虿Ａ湎驓馀輹r(shí)，一部分光在界面上發(fā)生了全反射的緣故。課本例題在潛水員看來，岸上的所有景物都出現(xiàn)在一個(gè)倒立的圓錐里，為什么？這個(gè)圓錐的頂角是多大？分析：如圖，岸上所有景物發(fā)出的光，射向水面時(shí)入射角θ1分布在0到90°之間，射入水中后的折射角θ2都在0至臨界角C之間。解：幾乎貼著水面射入水里的光線，在潛水員看來是從折射角為C的方向射來的，水面上其他方向射來的光線，折射角都小于C。因此他認(rèn)為水面以上所有的景物都出現(xiàn)在頂角為2C的圓錐里。由公式和水的折射n＝1.33，可求得臨界角設(shè)圓錐的頂角為a，則有a＝2C＝97.6°即圓錐的頂角為97.6°。（二）全反射棱鏡我們已經(jīng)知道當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角大于或等于臨界角時(shí)，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，此時(shí)折射光線消失。反射光的能量等于入射光的能量，也就是說全反射的能量幾乎沒有損耗。相當(dāng)于平面鏡的反射而言，反射效率非常高。思考：那么怎么才能利用全反射的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)呢？玻璃具有良好的透光性，它的折射率為1.5，臨界角約為42度，利用玻璃這些數(shù)據(jù)就可以制成截面為等腰直角三角形的全反射棱鏡。當(dāng)光線垂直于直角邊或垂直于斜邊射入棱鏡后，由于入射光的方向與第一個(gè)玻璃面垂直光線不發(fā)生偏折。當(dāng)光入射到下一個(gè)界面處時(shí)光線的入射角為45度，大于玻璃的臨界角42度，會在該處發(fā)生全反射。如果光是垂直于棱鏡的直角邊射入時(shí)，那么光會在斜邊處發(fā)生一次全反射，從另一直角邊射出。光的傳播方向改變90度。如果光是垂直于三棱鏡的斜邊射入的，那么他會在兩個(gè)直角邊處各發(fā)生一次全反射，仍然從斜邊射出，光的傳播方向改變180度。全反射棱鏡的優(yōu)點(diǎn)：反射率高，反射失真小，不必涂反光材料。應(yīng)用：雙筒望遠(yuǎn)鏡中的全反射棱鏡和自行車尾燈等。某些雙筒望遠(yuǎn)鏡中，光在兩個(gè)全反射棱鏡上分別發(fā)生全反射后進(jìn)入人眼，可以縮短目鏡和物鏡間的距離，使望遠(yuǎn)鏡更加小巧。自行車尾燈，當(dāng)后方的車燈發(fā)出的光照射到自行車的尾燈上時(shí)，光線進(jìn)入尾燈內(nèi)的塑料，在塑料和空氣的分界面上發(fā)生全反射，最終光只能從尾燈的前表面在透射出來，而且出這光線與入射光線平行，使得絕大多數(shù)的反射光都回到了發(fā)光物體所在的方向。所以在夜晚，雖然自行車的尾燈并不發(fā)光，但仍然顯得非常的明亮。（三）光導(dǎo)纖維實(shí)驗(yàn)：觀察光在彎曲的有機(jī)玻璃棒中傳播的路徑如圖，激光筆發(fā)出的光射入一根彎曲的有機(jī)玻璃棒的一端，觀察光傳播的路徑有什么特點(diǎn)?，F(xiàn)象：用激光照射一根彎曲的細(xì)玻璃棒，可以看到光線從玻璃棒的一端進(jìn)入后，在玻璃棒的內(nèi)地多次發(fā)生全反射，沿著路線傳播。最終從棒的另一端傳了出來。（播放動圖展示）分析：這是由于玻璃相對于空氣而言是光密介質(zhì)，當(dāng)光線在玻璃棒內(nèi)部射到側(cè)壁上，入射角大于臨界角，就發(fā)生了全反射。當(dāng)光在有機(jī)玻璃棒內(nèi)傳播時(shí)，如果從有機(jī)玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光會發(fā)生全反射，于是光在有機(jī)玻璃棒內(nèi)沿著鋸齒形路線傳播。這就是光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的原理。應(yīng)用：傳像束、內(nèi)窺鏡、光纖通信光導(dǎo)纖維最開始被用于傳輸圖像，把許多根光導(dǎo)纖維合成一束，就是兩端的纖維按相同的次序排列，就可以用來直接傳輸圖像。內(nèi)窺鏡。比如醫(yī)學(xué)上用光導(dǎo)纖維制成內(nèi)窺鏡用來檢查人體的胃腸，氣管等內(nèi)臟器官。除了直接傳輸圖像，光導(dǎo)纖維更重要的作用是用于光纖通信及遠(yuǎn)距離傳疏光信號，而光信號又可以轉(zhuǎn)化為電信號，進(jìn)而變成文字，聲音，圖像等數(shù)據(jù)。光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)容量大，信號衰減小，傳疏速度快，抗干擾能力強(qiáng)的正因?yàn)槿绱?，目前光纖通信正在逐漸代替電纜通信成為主要的通信方式。做一做：水流導(dǎo)光將塑料瓶下側(cè)開一個(gè)小孔，瓶中灌入清水，水就從小孔流出。用激光水平射向塑料瓶小孔（圖激光可由激光筆產(chǎn)生），觀察光的傳播路徑。課堂練習(xí)例1：(多選)如圖所示,ABCD是兩面平行的透明玻璃磚,AB面和CD面是玻璃和空氣的界面,分別設(shè)為界面Ⅰ和界面Ⅱ。光線從界面Ⅰ射入玻璃磚,再從界面Ⅱ射出回到空氣中。如果改變光到達(dá)界面Ⅰ時(shí)的入射角,則()A.只要入射角足夠大,光線在界面Ⅰ上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象B.只要入射角足夠大,光線在界面Ⅱ上可能發(fā)生全反射現(xiàn)象C.不管入射角多大,光線在界面Ⅰ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象D.不管入射角多大,光線在界面Ⅱ上都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象解析：在界面Ⅰ光由空氣進(jìn)入玻璃磚,是由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì),不管入射角多大,都不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,C正確。在界面Ⅱ光由玻璃進(jìn)入空氣,是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì),但由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行,光由界面Ⅰ進(jìn)入玻璃后再到達(dá)界面Ⅱ,在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角,故界面Ⅱ上的入射角總是小于臨界角,因此光在界面Ⅱ上不可能發(fā)生全反射現(xiàn)象,選項(xiàng)B錯(cuò)誤,D正確。例2：圖是一個(gè)用折射率:n＝2.4的透明介質(zhì)做成的四棱柱的橫截面圖，其中∠A＝∠C＝90°，∠B＝60，現(xiàn)有一束光從圖示的位置垂直入射到棱鏡的AB面上，畫出光路圖，確定射出光線。注意：每個(gè)面的反射光線和折射光線都不能忽略。解：根據(jù)臨界角公式得=24°38、易得C<30°.〖板書設(shè)計(jì)〗4.2全反射一、全反射1.全反射現(xiàn)象：指光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，