人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光2 全反射一等奖教案设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光2 全反射一等奖教案设计，共8页。教案主要包含了教学目标，教学重点，教学难点，教学过程，课后练习等内容，欢迎下载使用。




【教学目标】


一、知识与技能


1．知道什么是光疏介质和光密介质及相对性。


2．掌握临界角的概念和发生全反射的条件。


3．了解全反射现象的应用。


4．通过实验培养学生的观察能力，概括出发生全反射的条件，培养学生的观察、概括能力。


二、过程与方法


1．通过实验设计和动手操作，经历科学探究的过程。


2．通过演示实验，学会科学的实验方法——实验探究法。


三、情感、态度与价值观


1．从对生活中有关物理现象的观察，渗透在探究过程中体验解决问题的成功喜悦，激发学生探索自然规律的兴趣。


2．通过互动实验，培养学生探究科学知识的兴趣和实事求是的科学态度。


3．通过全反射现象的应用，培养学生运用科学理论观察分析周围事物的习惯。


【教学重点】


探究全反射现象；理解临界角的概念和全反射条件。


【教学难点】


全反射在实际中的运用。


【教学过程】


一、复习提问、新课导入


演示实验：奇妙的“光镀”。


将小球放入试管中，然后将试管斜插入盛水的玻璃缸中，从水面上方观察水中的试管，与在空气中的试管有什么区别？能看到小球吗？向试管中注入清水，又会看到什么现象？


演示与现象：先将小球入试管，展示给学生看，能看清试管中的小球。当试管斜插入水中时，试管内壁好像镀了一层银，小球不见了。再往试管中注入清水，小球又重新显现。


学生通过观察奇妙的现象，提高学习兴趣，激发求知欲。


二、新课教学


（一）光密介质和光疏介质


1．知识回顾（光的折射）：n=sinisinr、n=cv


情景：一束光线以相同的入射角θ1从空气射入介质1和介质2时，若θ2>θ3，则介质1的折射率n1和介质2的折射率n2满足：n1_______n2。





引出新概念：对于两种介质来说，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质。


光疏介质与光密介质是相对的。例如：水、酒精和玻璃三种物质相比较，酒精对水来说是光密介质，而酒精对玻璃来说是光疏介质。根据折射定律可知，光线由光疏介质射入光密介质时（例如由空气射入水），折射角小于入射角；光线由光密介质射入光疏介质（例如由水射入空气），折射角大于入射角。


（二）全反射


1．发生全反射现象的条件


（1）问题讨论：光线从空气透过半圆形玻璃砖再射入空气，下列光路图中可能正确的是：（ ）





学生讨论后请一学生回答并说明理由。


引导学生思考：对C图，若增大入射角，则折射角和入射角哪个先达到90°，当折射角达到90°时会发生什么现象，此时继续增大入射角，又会看到什么现象？


（2）实验探究





①演示实验


实验（一）：将半圆形玻璃砖的半圆一侧靠近激光光源一侧，开始时激光垂直于半圆形玻璃砖的直平面（通过圆心）入射，此时入射角0°，折射角亦为0°，即沿直线透出，当入射角增大时，让学生观察发生的现象。


实验（二）：将半圆形玻璃砖的直平面一侧靠近激光光源一侧，开始时激光垂直于半圆形玻璃砖的直平面（通过圆心）入射，光从空气入射到半圆形玻璃砖，在增大入射角，让学生观察发生的现象。


提醒学生仔细观察，关注折射角和反射角与入射角的大小关系，折射光线、反射光线亮度的如何变化。


现象：实验（一）中，当入射角增大到某一值时，折射光线消失。此时继续增大入射角时，只有反射光线，没有折射光线。


引出概念：


临界角C：折射角等于90°时的入射角。


全反射：当光从一种介质射入另一种介质，入射角增大到某一角度，折射光完全消失，只剩反射光的现象。


②问题讨论：


实验（一）中，折射光线是突然消失还逐渐消失？随着入射角增大，反射光和折射光的亮度分别发生怎样的变化？能否从能量守恒的角度加以解释。


在实验（二）中，随着入射角的增大，会发生全反射现象吗？为什么？


能否通过上述实验归纳出发生全反射的条件？


学生讨论后请一学生回答。


教师引导学生重点分析实验（一）中会发生全反射，而实验（二）不会发生全反射的原因。


学生分析：实验（一）光从玻璃射入空气时，折射角大于入射角，当入射角增大时，折射角先达到90°，此后折射光线消失，发生全反射。此过程折射光的亮度逐渐减弱，根据能量守恒，反射光的亮度逐渐变强；实验（二）中光从空气射入玻璃，折射角小于入射角，入射角先达到90°，不可能发生全反射。


③实验结论：


通过对比，从而总结出发生全反射的条件：


光从光密介质射入光疏介质；


入射角大于或等于临界角。


2．临界角C与折射率n的关系


提出问题：临界角的大小可能与什么因素有关呢？


引导学生猜想：


（1）在刚才的实验中如果将玻璃换成水，临界角会一样吗？


（2）如果临界角与介质有关，那么是与介质的什么性质有关呢？（光学性质）


（3）什么物理量反映介质的光学性质呢？（折射率n）


启发学生利用恰好发生全反射的光路图（如右图）和折射率的定义式来寻找临界角C与介质折射率的关系。


学生推导：


n=sin90∘sinC=1sinC


∴sinC=1n


可见，临界角的正弦值与介质的折射率成反比，即介质的折射率越大，临界角越小。


（三）问题研究，深化理解


1.问题（一）：在水面下方某一深度处有一个点光源，从水面上看，它照亮水面的几何形状是_______形。当光源在水中上升时，该形状的面积将_______（变大、变小或不变）。


学生先分析讨论，并适时引导学生分析。


教师引导：从题意看，水面被照亮的部分是一个有限的区域，即有部分光无法射出水面，那么哪些光无法射出水面，为什么？要知道被照亮的水面的形状，应尝试画出光路图帮助分析。


（1）理论分析：


请一学生上台板画，并加以解释。


学生分析：光源发出的射向水面的光线中，入射点离中心越远的光线的入射角越大，当入射角≥临界角C时发生全反射，如图所示，只有以R为半径的圆形区域有折射光线，圆形区域以外的区域没有折射光线。由于tanC=Rh，当光源在水中上升时，h减小，R随之减小，即亮斑面积减小。


（2）实验验证：将发光的小灯置于盛水的玻璃缸底，为了增加可视性在水面洒痱子粉，可看到水面形成一圆形亮斑，提升发光的小灯泡，亮斑变小。


2.问题（二）：能否利用一块圆形的泡沫塑料板和一根细杆测定水的折射率？需要测量哪些物理量？尝试做一做。


教师提示：折射率与临界角有关系，只要知道了临界角，就可知道折射率。


学生分组讨论，引导学生设计实验方案，实验步骤，分析需测量的物理量，结合上一题的演示实验，画出光路图。


请一学生画出光路图，并介绍实验方案：将细杆从圆形泡沫塑料板的圆心垂直板面缓慢插入，眼睛从水面上方往下看，当杆的尖端恰能被看到时停止插入。细杆尖端相当于一个光源，它发出的射向水面塑料板边缘处的光线恰好发生了全反射，圆形泡沫塑料板面积相当于上题中被光源照亮的区域，细杆在水中的长度相当于光源的深度，故只要测出圆形泡沫塑料板的半径R和细杆在水中的长度h，即可求得不的折射率。


n=1sinC=1RR2+h2=R2+h2R


学生分组实验测出R和h，由于计算较繁琐，数据处理留在课后进行。


（四）全反射的应用


1.光导纤维


播放视频：光导纤维（介绍光导纤维的结构、制作、应用及光纤通信的优点等。）


（1）光纤通信的主要优点：容量大、衰减小、抗干扰性强。


（2）光纤中的内芯折射率n1和外套折射率n2的关系：n1>n2


介绍美籍华裔科学家高锟——“光纤之父”，由于在光纤通信方向的卓越贡献，被授以2009年度诺贝尔物理学奖。


2.全反射棱镜：（截面为等腰直角三角形的棱镜）


（1）全反射的应用：让学生列举日常生活中常见的全反射的应用实例：自行车尾灯、潜望镜、望远镜等。


（2）分析棱镜反射和利用一般平面镜反射的异同，指出棱镜反射的优点。


全反射棱镜优越性：光的强度不变，反射率高，接近达到100%，成像失真小。


（五）学以致用


问题1：为什么水中的气泡看起来特别明亮？


学生思考后回答：水中的气泡看起来特别明亮，是因为光线从水中射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射，所以看起来特别明亮，如下甲图所示。





甲 乙 丙


问题2：解释奇妙的“光镀”


引导学生思考：


（1）为什么试管斜插入水中后，从水面上方看水中的试管特别明亮，为什么看不到小球了（如图乙）？


（学生：发生了全反射，全反射光特别强烈，小球经玻璃和水折射的光相对较弱，故小球看不到。）


（2）是在水与玻璃的界面还是在玻璃与空气的界面发生了全反射？


（学生：在玻璃与空气的界面发生了全反射）


（3）试管中注入清水后，为什么试管中的小球重现（如图丙）？


（学生：试管中注入清水后排出空气，不再发生全反射，小球发出的光线经玻璃和水折射进入人的眼睛，故能清晰看到试管中的小球。）


【课后练习】


1．关于全反射，下列叙述正确的是（ ）


A．发生全反射时仍有折射光线，只是折射光线非常弱


B．光从光密介质射向光疏介质时一定会发生全反射现象


C．光从光密介质射向光疏介质时可能不发生全反射现象


D．光从光疏介质射向光密介质时可能发生全反射现象


答案：C


2．光在某种介质中的传播速度为1.5×108m/s，则光从此介质射向真空时发生全反射的临界角是（ ）


A．15°B．30°C．45°D．60°


解析：由n=cv可得该介质的折射率n=2，再由sinc=1n得sinc=12，故临界角C=30°。


答案：B


3．有两种介质，甲介质对空气的临界角为60°，乙介质对空气的临界角为45°，则它们相比较，______介质是光疏介质，光从______介质射向______介质时有可能发生全反射。


答案：甲 乙 甲


4．玻璃的临界角为42°，如果玻璃中有一束光线射向空气，入射角略小于42°，则在空气中折射角一定略小于（ ）


A．27°B．42°C．48°D．90°


答案：D


5．一束光从空气射向折射率n=2的某种玻璃表面，下列说法正确的是（ ）


A．入射角大于45°时，会发生全反射现象


B．无论入射角多大，折射角都不超过45°


C．欲使折射角等于30°，应以45°入射角入射


D．当入射角等于arctan2时，反射光线和折射光线垂直


解析：光由光密介质射向光疏介质时才有可能发生全反射，故A错；光由空气射向玻璃时，45°的折射角对应的入射角为90°，故B对；由n=sinθ1sinθ2可知θ2=30°时对应的入射角θ1=45°，故C对；由入射角θ1=arctan2可知tanθ1=2，即sinθ1csθ1=2，再由折射率n=sinθ1sinθ2=2可得sinθ2=csθ1，即θ1＋θ2=90°，故D对。


答案：BCD


6．光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的。如图所示，一光导纤维内芯折射率为n1，外层折射率为n2，一束光信号与界面夹角α由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是（ ）


A．n1＞n2，α小于某一值


B．n1＜n2，α大于某一值


C．n1＞n2，α大于某一值


D．n1＜n2，α小于某一值


解析：要使光信号在内芯与外层的界面上发生全反射，必须让内芯的折射率n1大于外层的折射率n2，同时入射角须大于某一值，故应α小于某一值。


答案：A


7．为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB面以60°入射角射入长方体时刚好不能从BC射出，如图所示。该材料的折射率是______。





解析：光线刚好不能从BC面射出，意味着光线对BC面的入射角刚好为临界角C，对AB面，n=sin60°/sin（90°－C），对BC面，n=1sinC，解得n=72。


答案：72


8．某人在水面上游泳，看见水底发光体在正下方，当他向前游了2m时恰好看不见发光体。求发光体距水面的深度。（n水=4/3）


解析：如图所示，由于全反射，发光体发出的光仅能照亮以2 m为半径的圆形水面。





由几何关系得：sinC=222+h2 又有sinC=1n，故222+h2=34 h≈1.76m。


答案：1.76m