高中物理教案第十七章光的傳播三全反射

高中物理教案：第十七章光的傳播（三、全反射）【教學(xué)目的】1．全反射現(xiàn)象及其發(fā)生條件2．臨界角的計(jì)算3．全反射的應(yīng)用【教學(xué)重點(diǎn)】全反射現(xiàn)象及其發(fā)生條件【教學(xué)難點(diǎn)】綜合光路可逆知識和三角函數(shù)常識求解臨界角、理解發(fā)生全反射的條件【教學(xué)難點(diǎn)】激光器、半圓形玻璃磚、模擬光導(dǎo)纖維【教學(xué)過程】復(fù)習(xí)引入復(fù)習(xí)啟發(fā)：我們才作過“測定玻璃折射率”的實(shí)驗(yàn)，請同學(xué)們回憶一下，當(dāng)入射角非常接近90°時(shí)，我們做實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)有什么感覺？學(xué)生：比較難以看清P1和P2兩顆針。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？還是讓我們回到相關(guān)的物理學(xué)史。原來，物理學(xué)家們在探討光的折射的方向規(guī)律時(shí)，也探討過能量分配的規(guī)律。下表是斯涅爾測量的、光線從空氣射入玻璃界面時(shí)，反射光和折射光的能量分配情況──入射角入射光線能量為(100％)反射光線能量折射光線能量0°100％4.7％95.3％30°100％4.9％95.1％60°100％9.8％90.2％80°100％39％61％90°100％100％0％從這個(gè)表格的數(shù)據(jù)，同學(xué)們可以發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？學(xué)生：隨著入射角的增大，反射光的能量分配加大，而折射光的能量分配減小。事實(shí)上，這種能量的分配情況在交換介質(zhì)之后，還會(huì)出現(xiàn)更加有趣的情形──一全反射為了方便表達(dá)全反射的規(guī)律，這里先介紹兩個(gè)新的名詞──1．光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)光疏介質(zhì)：兩種介質(zhì)中折射率較小的介質(zhì)叫做光疏介質(zhì)。光密介質(zhì)：兩種介質(zhì)中折射率較大的介質(zhì)叫做光密介質(zhì)。很顯然，這是一個(gè)通過相互比較得出的概念，所以沒有絕對的光疏介質(zhì)和絕對的光密介質(zhì)。示例：水和空氣比較；水和金剛石比較…提問1：光線從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)比較，傳播速度會(huì)怎樣變化？學(xué)生：

v疏＞v密提問2：光線從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)比較，傳播方向有什么規(guī)律？學(xué)生：

折射角小于入射角。（反之，折射角大于入射角。）提問3：光密介質(zhì)的密度是不是一定比光疏介質(zhì)大？學(xué)生：查“幾種介質(zhì)的折射率”表格，再做結(jié)論。很顯然，光疏和光密是相對光的傳播而言，而與物質(zhì)的密度沒有必然聯(lián)系。過渡：剛才我們已經(jīng)總結(jié)過了，光線從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí)，折射角總是大于入射角的，而當(dāng)入射角增大時(shí)，反射角也會(huì)同時(shí)增大，這時(shí)，哪一個(gè)角先趨近90°呢？學(xué)生：折射角。趨近90°后，折射光線又怎樣傳播呢？下面看實(shí)驗(yàn)演示──演示：光的全反射實(shí)驗(yàn)提請學(xué)生觀察：a．反射光和折射光的強(qiáng)度變化；b．折射光的方向變化提問：在強(qiáng)度方面，斯涅爾的研究是不是得到重現(xiàn)？學(xué)生：是的。啟發(fā)：入射角增大到一定的角度后，折射光還存不存在？2．全反射：：當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角。當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射角等于900，此時(shí)，折射光完全消失，入射光全部反回原來的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做全反射。全反射的物理意義：折射光的能量為零，入射光的能量全部等于反射光。全反射的數(shù)學(xué)意義：我們看一種簡單的全反射情形──某介質(zhì)（折射率為n）到真空（或空氣）。為了應(yīng)用已經(jīng)學(xué)過的折射定律，我們先假設(shè)它的可逆光路（參看圖1）……然后，不難得出參照=，即sinθ2

=nsinθ1

，顯然，當(dāng)θ1足夠大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)sinθ2＞1，θ2無解。很顯然，θ2有解和無解的臨界情形是θ2

=90°，此時(shí)θ1

=arcsin3．臨界角：為了顯示這個(gè)角的特殊意義，我們給它一個(gè)特定的字母C，并將它稱為臨界角。即C=arcsin有了臨界角C，我們就不難總結(jié)出全反射的條件──當(dāng)入射角i≥C時(shí)，發(fā)生全反射形象，若入射角i＜C時(shí)，則不發(fā)生全反射，既有反射又有折射形象。那么，臨界角的物理意義又是什么呢？當(dāng)光線以相同的入射角從不同的介質(zhì)射入真空（或空氣），臨界角大的介質(zhì)容易發(fā)生全反射還是臨界角小的介質(zhì)容易發(fā)生全反射？學(xué)生：臨界角小的。那么，請同學(xué)們查一查“幾種介質(zhì)的折射率”表格，當(dāng)光線從這些介質(zhì)中射入真空（或空氣），最容易發(fā)生全反射的介質(zhì)是什么？學(xué)生：金剛石。事實(shí)上，鉆石的璀璨、神秘的光芒正是由于光線在其中發(fā)生多次全反射的結(jié)果。此外，玻璃中的氣泡顯得特別明亮、露珠顯得幽暗，這些都是全反射造成的。過渡：人們研究全反射，除了解釋一些物理現(xiàn)象外，還有什么別的價(jià)值嗎？二光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡稱光纖，我們常聽到的“光纖通信”就是利用的光線在光纖中的全反射原理。光線在光纖中是怎樣發(fā)生全反射的呢？我們先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)──演示：光線在“模擬光纖”中的全反射。提請學(xué)生觀察：a．玻璃棒周圍有沒有光線射出；b．從玻璃棒末端射出的光強(qiáng)度和沒有插玻璃棒時(shí)，光線從小孔射出時(shí)的強(qiáng)度?？偨Y(jié)：玻璃棒的側(cè)面幾乎沒有光線射出；玻璃棒幾乎“導(dǎo)出”的小空中所有光的能量。形成這一現(xiàn)象的原因是什么呢？師生共同作圖分析…見圖2。啟發(fā)：如果讓這根玻璃棒繼續(xù)彎曲下去──成為很多圈，以上的這種性質(zhì)會(huì)改變嗎？學(xué)生：不會(huì)。思考啟發(fā)：如果將玻璃棒的彎曲程度加大，以上的這種性質(zhì)會(huì)改變嗎？學(xué)生：會(huì)（在圖2中的2處和4處可能不滿足全反射的條件…）。但是，在彎曲程度加大的前提下，同時(shí)將玻璃棒做的很細(xì)，以上的狀況會(huì)有所改善嗎？學(xué)生：交流、作圖…得出結(jié)論（會(huì)）。我們都知道玻璃本來是非常堅(jiān)硬的，但是有一種特制的玻璃絲，卻可以做的非常柔軟、非常細(xì)。現(xiàn)在，我們將這樣的多根玻璃纖維捆綁成一束，然后，將首端的光照情況遵循某種規(guī)律，如圖3，則在纖維束的末端，會(huì)出現(xiàn)什么情況？學(xué)生：呈現(xiàn)首端一樣的規(guī)律。同學(xué)們，這就是光導(dǎo)纖維傳遞信息的基本原理。在傳遞信息的手段中，我們已經(jīng)學(xué)過了機(jī)械傳送、機(jī)械波傳遞、有限電流傳遞、無線電波傳輸?shù)鹊取，F(xiàn)在又出現(xiàn)一個(gè)光線傳輸，光纖傳輸有什么樣的特點(diǎn)呢？1．一維傳輸。能流密度不變；2．作為電磁波，波段特別，抗干擾性強(qiáng)；光導(dǎo)纖維應(yīng)用的領(lǐng)域：醫(yī)療、通信…學(xué)生：光導(dǎo)纖維的前沿知識閱讀…〖例題〗在水中的魚看來，水面上和岸上的所有景物，都出現(xiàn)在頂角約為97.6°的倒立錐面里（如圖4所示），為什么？分析：本題是一個(gè)全反射的逆向應(yīng)用。根據(jù)水的折射率，不難求出光線從水射入空氣的臨界角，而這個(gè)臨界光路的可逆光路事實(shí)上函蓋了水面上所有可能入射到水中的光線，所以…解：水的臨界角C=arcsin=arcsin=48.8°當(dāng)光線以90°的最大入射角射入水中時(shí)，折射角為C，故所有射入水中的光線的折射角均小于C，根據(jù)空間旋轉(zhuǎn)對稱，水面上所有的景物都落在頂角為2C=97.6°的錐面內(nèi)。三小結(jié)本節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了光的全反射現(xiàn)象及其規(guī)律。從物理的角度看，它是能量