物理：4.3《光导纤维及其应用》教案（鲁科版选修3-4）

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光导纤维及其应用
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道什么是光疏介质和光密介质，理解光的全反射现象，掌握发生全反射的条件
（2）理解临界角的物理意义，会根据公式确定光从介质射入真空（空气）时的临界角
2、过程与方法：通过观察演示实验，使学生了解到光在两种介质界面上发生的现象(反射和折射)，观察反射光线、折射光线随入射角的变化而变化，培养学生的观察、概括能力，通过相关物理量变化规律的学习，培养学生分析、推理能力。
3、情感、态度与价值观：
（1）通过这部分知识的学习，使学生对自然界中许多美好的现象进行充分的认识，学会用科学知识来解释自然现象．
（2）了解我国光纤技术的进展以及光导纤维在现代科技中的应用，培养爱国主义热情和科学态度．
教学重点：会根据公式确定光从介质射入真空（空气）时的临界角
教学难点：理解临界角的物理意义
教学方法：引导、探究
教学用具：光的折射演示器，半圆柱透明玻璃、直尺、
1、全反射现象
光传播到两种介质的界面上时，通常要同时发生反射和折射现象，若满足了某种条件，光线不再发生折射现象，而全部返回到原介质中传播的现象叫全反射现象。那么满足什么条件就可以产生全反射现象呢？
2、发生全反射现象的条件
（1）光密介质和光疏介质
对于两种介质来说，光在其中传播速度较小的介质，即绝对折射率较大的介质，叫光密介质，而光在其中传播速度较大的介质，即绝对折射率较小的介质叫光疏介质，光疏介质和光密介质是相对的．例如：水、空气和玻璃三种物质相比较，水对空气来说是光密介质，而水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。
既然光线由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，由此可以预料，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到90°，如果入射角再增大，会出现什么情况呢？
演示2：将半圆柱透镜的半圆一侧靠近激光光源一侧，使直平面垂直光源与半圆柱透镜中心的连线，点燃烟雾发生器中的烟雾源置于激光演示仪中，将接线板接通电源，打开激光器的开关。一束激光垂直于半圆柱透镜的直平面入射，让学生观察。我们研究光从半圆柱透镜射出的光线的偏折情况，此时入射角0°，折射角亦为零度，即沿直线透出，当入射角增大一些时，此时，会有微弱的反射光线和较强的折射光线，同时可观察出反射角等于入射角，折射角大于入射角，随着入射角的逐渐增大，反射光线就越来越强，而折射光线越来越弱，当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线．这种现象叫做全反射。
（2）临界角C
折射角等于90°时的入射角叫做临界角，用符号C表示．光从折射率为n的某种介质射到空气(或真空)时的临界角C就是折射角等于90°时的入射角，根据折射定律可得：
（3）发生全反射的条件：光从光密介质进入光疏介质；入射角等于或大于临界角。
3、对全反射现象的解释
（1）引入新课的演示实验1
被蜡烛熏黑的光亮铁球外表面附着一层未燃烧完全的碳蜡混和物，对水来说是不浸润的，当该球从空气进入水中时，在其外表面上会形成一层很薄的空气膜，当有光线透过水照射到水和空气界面上时，会发生全反射现象，而正对小球看过去会出现一些较暗的区域，这是入射角小于临界角的区域，明白了这个道理再来看这个实验，学生会有另一番感受。
（2）让学生观察自行车尾灯
用灯光来照射尾灯时，尾灯很亮，也是利用全反射现象制成的仪器。在讲完全反射棱镜再来体会它的原理就更清楚了。可先让学生观察自行车尾灯内部的结构，回想在夜间看到的现象。引导学生注意生活中的物理现象，用科学知识来解释它，从而更好的利用它们为人类服务。
（3）用激光演示仪的激光光源演示
光导纤维传播光的现象，或用弯曲的细玻璃棒进行演示，配合作图来解释现象：
从细玻璃棒一端射进棒内的光线，在棒的内壁多次发生全反射，沿着锯齿形路线由棒的另一端传了出来，玻璃棒就像一个能传光的管子一样。
实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几μm到100μm左右，而且是由内心和外套两层组成的，光线在内心外套的界面上发生全反射，如果把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相对位置相同，这样的纤维就可以传递图像。
（4）让学生阅读大气中的光现象——蒙气差、海市蜃楼、沙漠里的蜃景。
小结：
（1）全反射现象是非常重要的光学现象之一，产生全反射现象的条件是：
①光从光密介质射到它与光疏介质的界面上，
②入射角等于或大于临界角．这两个条件都是必要条件，两个条件都满足就组成了发生全反射的充要条件。
（2）全反射的应用在实际生活中是非常多的．在用全反射的知识解释时，特别要注意是否满足两个条件。回答这类问题要注意逻辑推理，一般是依据条件要叙述清楚，根据要给充分，结论要简明。
（3）为了给后面全反射棱镜的学习打基础．临界角是几何光学中一个非常重要的概念，但在高中阶段不深入讨论临界的情。
（三）光导纤维
演示：光线在“模拟光纤”中的全反射。
观察：a、玻璃棒周围有没有光线射出；b、从玻璃棒末端射出的光强度和没有插玻璃棒时，光线从小孔射出时的强度。
我们都知道玻璃本来是非常坚硬的，但是有一种特制的玻璃丝，却可以做的非常柔软、非常细。现在，我们将这样的多根玻璃纤维捆绑成一束，然后，将首端的光照情况遵循某种规律，如图3，则在纤维束的末端，会出现什么情况？
1．定义：光导纤维是一种利用光的全反射原理制成的能传导光的玻璃丝，由内芯和外套组成，直径只有几微米到100微米左右，内芯的折射率大于外套的
折射率。
应用领域：医疗，通信……
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