(共48张PPT)
高中物理选修3-4
光的全反射
生活中常见很多跟光有关的自然现象——例如海市蜃楼
登州海市（苏轼）
东方云海空复空，群仙出没空明中。
荡摇浮世生万象，岂有贝阙藏珠宫？
长恨歌（白居易）
忽闻海上有仙山，山在虚无缥缈间。
楼阁玲珑五云起，其中绰约多仙子。
复习光的反射定律和折射定律
思考：光从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的交界面处会发生什么现象？
反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线两侧；反射角等于入射角。
折射定律：折射光线与入射光线、法线在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线两侧；入射角的正弦值与折射角的正弦值之比为一常数，即=n。
i
r
i'
介质的折射率——
r
光从真空（空气）射入某种介质发生折射时，入射角正弦与折射角正弦之比叫做这种介质的折射率。
光在真空中传播的速度
光在介质中传播的速度
思考：请同学们在笔记本上试着画下面的光路图
r
金刚石
玻璃
1.
折射率较大的介质称为光密介质，
折射率较小的介质称为光疏介质。
一、光密介质与光疏介质
3.
由于真空的折射率为1，因此，任何物质相对真空来说都是光密介质。
n水=1.33
n玻璃=1.5~1.8
n金刚石=2.42
2.
光密介质与光疏介质是相对的。
思考：玻璃到底是光密介质还是光疏介质呢？
4.
光密介质与光疏介质的比较
折射率
光的传播速度
光密介质
大
小
光疏介质
小
大
思考：如果光从光密介质射向光疏介质，不断增加入射角，可能会发生什么现象呢？
金刚石
玻璃
空气
玻璃
观察实验
观察：入射角逐渐增大，发生了什么现象？
光从清水射向空气
光从橄榄油射向空气
观察实验
观察：入射角逐渐增大，发生了什么现象？
光从清水射向空气
光从橄榄油射向空气
观察实验
观察：入射角逐渐增大，发生了什么现象？
光从清水射向空气
光从橄榄油射向空气
观察实验
观察：入射角逐渐增大，发生了什么现象？
光从清水射向空气
光从橄榄油射向空气
1.
现象：光从光密介质射入光疏介质，逐渐增大入射角，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光的现象，叫全反射，这时的入射角叫做临界角。
二、光的全反射
思考：发生全反射需要满足什么条件呢？
清水
清水
清水
2
.
发生全反射的条件：
（1）光从光密介质进入光疏介质
（2）入射角≥临界角
1.
现象：光从光密介质射入光疏介质，逐渐增大入射角，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光的现象，叫全反射，这时的入射角叫做临界角。
二、光的全反射
1.
定义：光从介质射入真空或空气时，使折射角等于90°的入射角称为临界角，用C表示。
三、介质的临界角
清水
橄榄油
酒精
48.8°
43°
47°
1.
定义：光从介质射入真空或空气时，使折射角等于90°的入射角称为临界角，用C表示。
三、介质的临界角
思考：请同学们计算折射率为
n
的某种介质在空气（真空）中发生全反射时的临界角C。
且=90?
sin=
sinC=
根据
三、介质的临界角
2.
临界角的计算式：
3.
注意问题：
（1）公式只适用于光从介质射向真空或空气中的情况
（2）发生全反射时，依然遵循反射定律
三、介质的临界角
4.
常用介质的临界角：水的临界角为48.8°，各种玻璃的临界角为
32°～
42°，金刚石的临界角为
24.4°。
科研和技术中常常通过测量临界角来测定材料的折射率。
橄榄油
43°
全反射是自然界常见的现象
例如，水中或玻璃中的气泡，看起来特别明亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射。
n水=1.33
C水=48.8?
60?>C水
发生全反射
例题分析
【例】某介质的折射率为1.1，一束光从介质射向空气，入射角为60°，如图所示的哪个光路图是正确的：
?
例题分析
【例】已知光在真空中的传播速度为c
，在水中的传播速度为v。在平静的湖面上，距水面深h处有一个点光源，在水面上某些区域内，光能从水面射出，这个区域的面积为：
A.
B.
C.
D.
解得
圆形面积为
r
h
C
解得
例题分析
【例】已知光在真空中的传播速度为c
，在水中的传播速度为v。在平静的湖面上，距水面深h处有一个点光源，在水面上某些区域内，光能从水面射出，这个区域的面积为：
A.
B.
C.
D.
?
例题分析
【例】在潜水员看来，岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里，为什么？这个圆锥的顶角是多大？
∵sinC=
且n=1.33
∴C=48.8?
则有顶角θ=2C=97.6?
例题分析
【例】如图所示，水面上漂浮着一个直径为d
的圆形薄木板，在木板的圆心O处垂直木板插上一根细长的针，当针的长度为h时，从水面上刚好看不到针，则水的折射率为：
A.
B.
C.
D.
C
h
d/2
如果调解细针的长度，使细针最下端反射到薄板边缘的光恰好发生全反射，则在水面刚好看不到细针。此时的入射角为临界角C。
解得：
例题分析
【例】如图所示，水面上漂浮着一个直径为d
的圆形薄木板，在木板的圆心O处垂直木板插上一根细长的针，当针的长度为h时，从水面上刚好看不到针，则水的折射率为：
A.
B.
C.
D.
?
题后反思
解决全反射问题的基本思路：
（1）确定光是由光疏介质进入光密介质，还是由光密介质进入光疏介质。
（2）若光由介质进入空气（真空）时，则根据确定临界角，判断是否发生全反射。（注意“刚好”、“恰好”……）
（3）根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。
（4）运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、定量运算或者动态分析。
四、全反射的应用
1.
全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。
思考：如果光线垂直AB面入射，它将由哪个面射出，光的传播方向如何改变？如果光线由AC面垂直入射，情况又如何呢？
A
B
C
四、全反射的应用
1.
全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。
45?
45?
全反射棱镜改变光的传播方向
与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%；由于反射面不必涂敷任何反光物质，所以反射时失真小。这种棱镜在光学仪器中常用来改变光的方向。望远镜为了提高倍数，镜筒要很长，通过使用全反射棱镜能够缩短镜筒的长度
。
2.
光导纤维：
四、全反射的应用
当光在玻璃棒内传播时，如果从玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在玻璃棒内沿着锯齿形路线传播。这就是光导纤维导光的原理。
2.
光导纤维：
（1）构造及特点：细玻璃丝，n内芯>n外套
（2）工作原理：
四、全反射的应用
内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。
如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。
光导纤维的顶端亮晶晶的。这就是光通过光导纤维传输过来了。
光导纤维束把手机屏幕上的画面传递出来
医学上用光导纤维制成内窥镜
1966年，33岁的华裔科学家高锟博士就提出一个理论：直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来做为光的波导来传输大量信息。43年以后，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维（optical
fiber）已经普遍应用到通信领域。这其中就用到了全反射原理。
光纤通信
一根比头发丝还细的光纤就可以传输
几万路电话几千路电视
几克石英
制成光缆能节约
3.7吨铅
1.1吨铜！
光缆线路是重要的国家基础设施，全体公民都有责任保护。
海底光缆
唐古拉山口的“光缆通信干线工程竣工”纪念碑
光纤通信
3.
利用全反射解释自然现象
水中的气泡特别明亮
海市蜃楼
沙漠蜃景
炎热夏天的柏油马路上，会看到路面特别明亮
海市蜃楼
大气密度小，折射率小
大气密度大，折射率大
思考：当远处的楼阁发出的光线射向空中时，相当于光从什么介质射向什么介质呢？光线如何偏折呢？最终有可能发生什么现象？
沙漠蜃景
地面温度高
大气密度小
折射率小
高空温度低
大气密度大
折射率大
在炎热的夏天，我们经常看到前方的路面特别明亮，请同学们课后试着用今天所学的知识解释这个现象。
课堂小结
你能说说什么是光密介质，什么是光疏介质吗？
我们观察了光的全反射，同学们能用语言和光路图描述一下全反射现象吗？
光的全反射需要什么条件？
临界角的大小与什么有关？
光的全反射有哪些应用？
为什么光导纤维的内芯折射率比外套的折射率大？
课堂小结
谢谢观看！教
案
教学基本信息
课题
光的全反射
学科
物理
学段：
高中
年级
高二
教材
书名：高中物理选修3-4
人教版和教科版通用
教学目标及教学重点、难点
【教学目标】
1.能够说出什么是光密介质，什么是光疏介质，会通过折射率或者光在其中传播的速度来比较光密介质和光疏介质。
2.通过观察实验，认识光的全反射现象，能够用语言和光路图描述全反射现象，并能说出全反射产生的条件。
3.知道什么是介质的临界角，能根据折射定律推导出介质临界角的正弦值与介质折射率的关系，，会运用这一关系进解决实际问题，如利用全反射的临界角求出介质的折射率等。
4.了解全反射现象的应用。能够画出全反射棱镜改变光传播方向的光路图，能说出光导纤维的结构，能够阐明光导纤维内芯与外套折射率大小的关系，通过查阅资料了解光导纤维在生活、技术中的广泛应用以及光纤技术对社会经济生活的重大影响。能够利用折射定律和全反射的规律解释海市蜃楼等自然现象。
【教学重点和难点】
教学重点、难点：理解全反射和临界角的概念。
教学过程(表格描述)
教学环节
主要教学活动
设置意图
引入
生活中常见很多跟光有关的自然现象——如海市蜃楼
苏轼在《登州海市》中有过这样的描述：“东方云海空复空，群仙出没空明中。荡摇浮世生万象，岂有贝阙（bèi
què）藏珠宫？”，白居易在《长恨歌》中也写道：“忽闻海上有仙山，山在虚无缥缈间。楼阁玲珑五云起，其中绰约（chuò
yuē）多仙子。”沈括在《梦溪笔谈》中也对海市蜃楼有过记载。
海市蜃楼到底是如何形成的呢？这还要从光的折射与全反射说起。
在物理教学中渗透中华优秀传统文化，促进学生综合素养提升
温故知新
复习光的折射定律
思考：光射从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的交界面处会发生什么现象？
同时发生反射现象和折射现象。
反射现象遵循反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角。折射现象遵循折射定律：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦值与折射角的正弦值之比为一常数，即sini/sinr=n。
如果光是从真空（或者空气）射向介质的，n就是表示这种介质的折射率。
复习已有知识，为学习新知识奠定基础
夯实基础——认识光密介质与光疏介质
1.
不同介质的折射率不同，我们把折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质。
2.
光密介质与光疏介质是相对的。
例如水、水晶和金刚石三种物质相比较，水的折射率是1.33，水晶的折射率是1.55，金刚石的折射率是2.42。水晶对水来说是光密介质，对金刚石来说则是光疏介质。
由于真空的折射率为1，因此，任何物质相对真空来说都是光密介质。
4.
光疏介质与光密介质比较
折射率光的传播速度光密介质大小光疏介质小大
根据折射定律，光由光疏介质射入光密介质（例如由空气射入水）时，折射角小于入射角。
【思考】：若光由光密介质射入光疏介质时，折射角与入射角的大小关系又是如何呢？根据光路可逆原理，光由光密介质射入光疏介质时折射角大于入射角。如果我们增大入射角，会观察到什么现象呢？
引导学生和比较学习的方法从相对性来认识光密介质与光疏介质。
夯实基础——认识并理解光的全反射现象机产生条件
观察演示实验：
（1）让光沿着半圆形水槽的半径射到水与空气的界面上，在这个界面上会发生反射和折射。逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化。
学生观察到，如果入射角逐渐增大，折射光离法线会越来越远，而且越来越弱，即折射光线的能量减小，亮度减弱，而反射光却越来越强，即反射光线的能量增大，亮度增加。当入射角增大到某一角度（大约48?）时，使折射角达到
90°，折射光完全消失，只剩下反射光。
（2）再用橄榄油作为介质，观察一遍。
1.全反射现象：光从光密介质射入光疏介质，逐渐增大入射角，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光的现象，叫全反射，这时的入射角叫做临界角。
【思考】：发生全反射需要满足什么条件呢？
2.
发生全反射的条件：
（1）光从光密介质进入光疏介质
（2）入射角≥临界角
引导学生从光路变化、能量分配的角度观察全反射演示实验，经过理性分析进而深刻理解光的全反射现象的特点及全反射产生条件。
夯实基础——认识并理解临界角概念
1.
定义：光从介质射入真空或空气时，使折射角等于90°的入射角称为临界角，用C表示。
实验发现，不同介质的临界角不同。水的临界角大约48.8°，橄榄油的临界角大约43°，酒精的临界角大约47°
【思考】：不同的介质，由于折射率不同，在空气中发生全反射的临界角是不一样的。请同学们计算折射率为
n
的某种介质在空气（真空）中发生全反射时的临界角C。
我们可以这样思考，假设光线AO沿着空气与介质的界面以非常接近90?的入射角θ1射入介质，则光在介质中的折射光线OB与法线的夹角为θ2，根据折射定律，sinθ1/sinθ2=n，如果θ1=90?，则sinθ1=1，我们就得到sinθ2=1/n，根据光路可逆，如果光从介质中沿着BO方向以θ2射向界面，则折射光线会沿着OA方向，折射角为θ1。由于折射角达到90?，因此发生了全反射，所以θ2=临界角C，于是我们可以得到sinC=1/n。
2.
临界角的计算式：
光从介质射入空气（真空）时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是。从这个关系式可以看出，介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。
3.
注意问题：
（1）公式只适用于从介质射向真空或空气中的情况
（2）发生全反射时，依然遵循反射定律
科研和技术中常常通过测量临界角来测定材料的折射率。例如我们可以根据橄榄油的临界角C=43?，由得到橄榄油的折射率为1.466。
全反射是自然界里常见的现象。例如，水中或玻璃中的气泡，看起来特别明亮，就是因为光从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故。
我们知道知水的折射率为1.33，根据水的折射率可以计算得到水的临界角约为48.8?，由于入射角为60?，大于临界角，所以这束光在水与气泡的界面上发生全反射，所以，在我们看来，气泡显得特别明亮。
引导学生利用折射定律和折射率概念，分析得出临界角的计算式。
巩固提升——全反射典型例题分析
【例1】
某介质的折射率为1.1，一束光从介质射向空气，入射角为60°，如图所示的哪个光路图是正确的：
分析与解答：我们可以这样思考：由于介质的折射率为1.1，那么临界角的正弦值sinc=1/1.1≈0.91，而光从介质射向空气的入射角为60?，sin60?=0.866<0.91，所以入射角小于临界角，不会发生全反射，因此，此时既有折射也有反射，C光路图选项正确。
【例2】已知光在真空中的传播速度为c???，在水中的传播速度为v。在平静的湖面上，距水面深h处有一个点光源，在水面上某些区域内，光能从水面射出，这个区域的面积为：
B.
C.
D.
分析与解答：水面以下h深处有光源S，向各个方向发出光，射向水面。当入射角小于临界角C时，光线将射出水面发生折射，如果入射角等于C或者大于C，将发生全反射，没有光射出水面，因此，在水面上半径为r的圆形区域看到有光射出，通过几何关系和全反射的规律，可以计算r的大小。A选项正确。
【例3】在潜水员看来，岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里，为什么？这个圆锥的顶角是多大？
分析与解答：岸上所有景物发出的光，射向水面时的入射角θ1分布在
0°到
90°之间，射入水中后的折射角θ2在
0°至临界角C之间。我们可以根据sinC=1/n，求出临界角C=48.8°
。如图所示，几乎贴着水面射入水里的光线，在潜水员看来就是从折射角为C的方向射来的，水面上其他方向射来的光线，折射角都小于C。因此，潜水员会认为水面以上所有的景物都出现在顶角为2C的圆锥里。我们已经根据水的折射率计算出临界角C=48.8°，因此，倒圆锥的顶角θ=2C=97.6°。
【例4】如图所示，水面上漂浮着一个直径为d
的圆形薄木板，在木板的圆心O处垂直木板插上一根细长的针，当针的长度为h时，从水面上刚好看不到针，则水的折射率为：
B.
C.
D.
分析与解答：如果调解细针的长度，使细针最下端反射到薄板边缘的光恰好发生全反射，则在水面将看不到细针。此时的入射角为临界角C。
解得：
B正确。
题后反思
解决全反射问题的基本思路：
（1）确定光是由光疏介质进入光密介质，还是由光密介质进入光疏介质。
（2）若光有介质进入空气（真空）时，则根据sinC=1/n确定临界角，判断是否发生全反射。（注意“刚好”、“恰好”……所包含的隐含条件，往往是刚好发生全反射）
（3）根据题设条件，画出入射角等于临界角的“临界光路”。
（4）运用几何关系、三角函数关系、反射定律等进行判断推理、定量运算或者动态分析。
通过例题分析，进一步理解全反射产生条件，并应用规律解决一些实际问题。
拓展迁移——全反射的应用
1.
全反射棱镜
横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。
【思考】：如果光线垂直AB面入射，它将由哪个面射出，光的传播方向如何改变？如果光线由AC面垂直入射，情况又如何呢？
全反射棱镜可以改变光的传播方向，当光线由AB面垂直入射时，光线不发生偏折。但在棱镜内部，光射向玻璃与空气的界面AC时，入射角大于临界角，发生全反射，因此垂直由BC面射出，光线传播方改变了90?
当光线由AC面垂直入射时，在两个直角边与空气的界面上发生全反射，即在AB、
BC面发生两次全反射，最终垂直AC面射出，因此光线传播方改变了180?。
与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%；由于反射面不必涂敷任何反光物质，所以反射时失真小。这种棱镜在光学仪器中常用来改变光的方向，用得十分广泛。望远镜为了提高倍数，镜筒要很长，通过使用全反射棱镜能够缩短镜筒的长度。
2.光导纤维
如图所示，激光笔发出的光射入一根弯曲的有机玻璃棒的一端，观察光传播的路径有什么特点。
当光在玻璃棒内传播时，如果从玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在玻璃棒内沿着锯齿形路线传播。这就是光导纤维导光的原理。
（1）结构特点：细玻璃丝，n内芯>n外套
（2）应用：内窥镜，光纤通信
图片、小视频：光导纤维束把手机屏幕上的画面传递出来
介绍内窥镜
介绍高琨及光纤通信的特点。
介绍我国光纤通信应用的情况
3.
利用全反射解释自然现象
海市蜃楼：夏季时，靠近海面附近的空气温度比较低，上空的空气温度比较高，因此低层空气的密度和折射率都要比高层空气的大，我们可以粗略第把海面上方的空气看做是由许多折射率不同的空气层组成，低层折射率大，高层折射率小。
【思考】我们来看示意图：当远处的楼阁发出的光线射向空中时，相当于光从什么介质射向什么介质呢？光线如何偏折呢？最终有可能发生什么现象？
光一次又一次地从光密介质射向光疏介质，折射光线越来越偏离法线，最后进入折射率更小的较高空气层时，就可能发生全反射，使楼阁发出的光线向下偏折，全反射的光线再一次一次地折射回到地面，射入观察者的眼中，人们逆着光线的方向望去，就会看到景物“悬在空中”。
沙漠蜃景：在炎热的夏季，沙漠贴近地面的空气由于太阳的猛烈照射，温度升的很高，而较高层的空气仍然比较冷。这是沙漠上方由低到高空气密度将依次变大，折射率也依次变大。如果沙漠远方有一棵大树，树顶部射向地面的光线，穿过不同折射率的空气层，不断向远离法线的方向偏折，射向下一层空气的入射角也逐渐变大，最后进入折射率更小的较低层空气时，也可能发生全反射，使光线向上弯曲，又逐渐折射回来，射入观察者眼中。人们逆着光线望去，就会看到远处物体的倒景。这就是沙漠蜃景。
不论是海市蜃楼还是沙漠蜃景，都是一种因为光的折射和全反射而形成的自然现象，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。
思考：在炎热的夏天，我们经常看到前方的路面特别明亮，请同学们课后试着用今天所学的知识解释这个现象。
体会学以致用的道理
引导学生关注物理学在生产生活中的应用，培养学生的社会责任感。
课堂小结
课堂小结：
（1）你能说说什么是光密介质，什么是光疏介质吗？
（2）我们观察了光的全反射，同学们能用语言和光路图描述一下全反射现象吗？
（3）光的全反射需要什么条件？
（4）临界角的大小与什么有关？
（5）光的全反射有哪些应用？
（6）为什么光导纤维的内芯折射率比外套的折射率大？
使学生理解和体会物理知识方法的系统性和统一性，化零为整。
作业任务
完成课后练习，巩固所学知识。
查阅资料了解光导纤维在生活、技术中的广泛应用以及光纤技术对社会经济生活的重大影响。
