11-12学年高二物理教案：13.7 光的全反射

13.7 全反射
【教学目标】
（一）知识与技能
1．知道什么是光疏介质，什么是光密介质。
2．理解光的全反射。
3．理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决有关的问题。
4．知道全反射棱镜、光导纤维及其应用。
（二）过程与方法
1．会定性画出光疏介质进入光密介质或从光密介质进入光疏介质时的光路图。
2．会判断是否发生全反射并画出相应的光路图。
3．会用全反射解释相关的现象。
4．会计算各种介质的临界角。
（三）情感、态度与价值观
体会本节实验中“让入射光正对半圆形玻璃砖中心从曲面入射”是在设计实验时设计者为突出主要矛盾而控制实验条件达到略去次要矛盾的高明做法。
【教学重点】全反射条件，临界角概念及应用。
【教学难点】临界角概念、临界条件时的光路图及解题。
【教学方法】采用实验观察、猜想、印证、归纳的方法得出全反射现象的发生条件、临界角概念等。
【教学用具】
光学演示仪（由激光发生器、带量角度的竖直面板、半圆形玻璃砖等组合）
【教学过程】
（一）引入新课
让学生甲到黑板前完成图1及图2两幅光路图（完整光路图）
图1 图2
（估计学生甲画图时会遗漏反射光线）
师：光在入射到空气和水的交界面处时，有没有全部进入水中继续传播呢？
生：有一部分被反射回去。
（学生甲补画上反射光线）
师：很好。甲同学正确地画出了光从空气进入水中时的折射角…
生：小于入射角。
师：光从水中进入空气时，折射角…
生：大于入射角。
师：对。那么如果两种介质是酒精和水呢？请乙同学到前面来完成光路图。
图3 图4
学生乙顺利完成两图。
（二）进行新课
1．光密介质和光疏介质
（1）给出光密介质和光疏介质概念。
（2）让学生指出图1中的光密介质和光疏介质，再指出图2中的光密介质和光疏介质。让学生自己体会出一种介质是光密介质还是光疏介质其实是相对的。
（3）（投影片出示填空题）
光从光疏介质进入光密介质，折射角________入射角；光从光密介质进入光疏介质，折射角________入射角。
（本题让学生共同回答）
2．全反射
（设置悬念，诱发疑问）
师：在图2和图3中，折射角都是大于入射角的。设想，当入射角慢慢增大时，折射角会先增大到90°，如果此时我们再增大入射角，会怎么样呢？
（这时可以让学生自发议论几分钟）
生甲：对着图2说，可能折射到水中吧？。
师：可能会出现图5这种情况吗？
（其余学生有的点头，有的犹疑）
生乙：应该没有了吧？
生丙：最好做实验看看。
师：好，那就让我们来做实验看看。
（1）出示实验器材，介绍实验。
师：半圆形玻璃砖可以绕其中心O在竖直面内转动如图6所示，入射光方向不变始终正对O点入射。
（2）请学生画出图7中光线到达界面Ⅰ时的反射和折射光路。
学生丙画出了图8中的光路图。
［教师点拨］入射点A处曲面的法线是怎样的？想一想法线的性质是什么？
生：和界面垂直。
师：如果界面是曲面呢？应和该处曲面的切面垂直，再启发学生想想圆上每一点的切线和该点半径的关系，学生悟出A处的法线就是OA. 进而画出正确的光路图如图9。
（3）让学生画出光线入射到界面Ⅱ时的反射光路和折射光路。
（学生顺利完成图10）
（4）观察实验
师：现在我们来研究光入射到界面Ⅱ时所发生的反射和折射现象。
转动玻璃砖，让光线在界面Ⅱ处的入射角渐增。
［问］你们看到了什么现象？
生甲：入射角增大，反射角和折射角都增大。
生乙：反射光越来越亮，折射光越来越暗。
继续转动玻璃砖，学生看到当折射角趋于90°时，折射光线已经看不见了，只剩下反射光线。继续转动玻璃砖，增大入射角，都只有反射光线。
（学生恍然大悟）
师：什么结果？
生：折射角达到90°时，折射光线没有了，只剩下反射光线。
师：这种现象就叫全反射。
3．发生全反射的条件
（1）临界角C
［要求学生根据看到的现象归纳］
（学生讨论思考）
生甲：入射角要大于某一个值。
师：对，我们把这“某一值”称为临界角，用字母C表示。
重复实验至折射角恰等于90°时停止转动玻璃砖。让前面的学生读出此时的入射角即临界角C约为42°左右。
师：后面的学生看不见读数，那我现在告诉你们这种玻璃的折射率n=1.5，请你们算出这种玻璃的临界角。（学生觉得无从下手）
［教师启发］想想当入射角等于临界角C时，折射角多大？
学生领会，列出算式：=n
师：这样对吗？错在哪儿？
生甲：光不是从空气进入玻璃。
师：对了。你们自己改正过来。
学生列出正确计算式：=sinC=
代入n算得结果与实验基本相符。
教师点明临界角的计算公式：sinC=
（2）发生全反射的条件
师：毫无疑问，入射角大于等于临界角是条件之一，还有其他条件吗？
生乙：光从玻璃进入空气。
师：可以概括为…
生：光从光密介质进入光疏介质。
师：很好，记住，是两个条件，缺一不可。
［投影例题］教材74页。
师生一起分析解决问题。
4．全反射的应用——全反射棱镜和光导纤维
（1）学生阅读课本有关内容。
（2）教师补充介绍有关光纤通信的现状和前景。
（3）演示课本光纤实验，不过改用前面实验中的激光束来做，效果很好。
（4）辅助练习［投影片］
如图11表示光在光导纤维中的传播情况，纤维为圆柱形，由内芯和涂层两部分构成.内芯为玻璃，折射率为n0；涂层为塑料，折射率为n1，且n1＜n0.光从空气射入纤维与轴线成θ角.光线在内芯侧壁上发生多次全反射后至纤维的另一端射出。若内芯的折射率n0=1.5，涂层的折射率n1=1.2，求入射角θ最大不超过多少度光线才能在内芯壁上发生全反射。
参考答案：64.16°
（三）课堂总结、点评
本节课我们学习的知识主要有
1．光密介质和光疏介质
2．光的全反射
［CAI课件］动态展示加文字说明：
（1）光在入射到两种介质的交界面处时，通常一部分光被反射回原来的介质，另一部分光进入第 Ⅱ种介质并改变了传播方向。
（2）当光由光密介质射向光疏介质时，当入射角等于或大于临界角时，光全部被反射回原介质中去，称做全反射现象。
（3）当折射角增大到90°时的入射角称为临界角C（参考图12）。
3．全反射棱镜，、光导纤维的原理及其应用。
（四）课余作业
完成P77“问题与练习”的题目。
附：课后训练
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1.5×108 m/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=可得该介质的折射率n=2，再由sinC=得sinC=，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=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arctan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=可知θ2=30°时对应的入射角θ1=45°，故C对；由入射角θ1=arctan可知tanθ1=，即=，再由折射率n==可得sinθ2=cosθ1，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，小于某一值
B．n1＜n2，大于某一值
C．n1＞n2，大于某一值
D．n1＜n2，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=，解得n=/2。
答案：/2
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2 m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= 又有sinC=，故= h≈1.76 m.
答案：1.76 m
图5
图8
图7
图6
图10
图9
图11
图12