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视频标签：光的全反射
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视频课题：高中物理选修3-4第十三章第二节《光的全反射》浙江省 - 台州
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高中物理选修3-4第十三章第二节《光的全反射》浙江省 - 台州
《全反射》教学设计
一、教材分析
《全反射》是高中物理选修3-4第十三章第二节的内容，是编写在《光的反射和折射》之后，是反射和折射的交汇点。本节课从光的折射入手，探讨了光发生全反射的条件，以及相关应用。全反射现象与人们的日常生活以及现代科学技术的发展紧密相关，它是实现从课堂知识走向课外、走向生产、走向科技的重要教学内容。所以，学好本节课不仅能让学生增长知识，拓展眼界，也能激发学生学习物理的兴趣，培养学生观察、分析、解决问题的能力。
二、学情分析
学习本节内容之前，学生在初中阶段对几何光学已经有了初步的了解，而本章的第一节内容《光的反射和折射》又详细的介绍了光的折射定律以及折射率的测定方法，这些内容的学习，为学生进一步学习全反射奠定了知识和心理基础；同时，在前面高中学习中，学生已经具备了一定的概括和分析问题的能力，这为本节课的学习奠定了能力的基础。对于自然界中的一些光学现象及科学应用，学生往往是知其然而不知其所以然，存在一定的表面性、片面性和主观性，所以这节课按照学生的认知规律进行，通过探究实验让学生完成从现象到本质的认识，同时，在这个过程中，让学生体会科学探究的乐趣。
三、教学目标
1.知识与技能
（1）理解光疏介质、光密介质的概念。
（2）了解光的全反射现象，掌握临界角的概念和全反射的条件。 （3）会解释全反射的现象，了解全反射应用。 2.过程与方法
（1）通过探究学习，分析全反射现象，概括发生全反射的条件，计算临界角的公式，从而培养学生分析、概括、计算的能力。
（2）运用所学知识解释自然现象，增加学生学习的趣味，提高学生理论联系实际的能力。 （3）启发学生思维，锻炼学生的语言表达能力。 3.情感态度与价值观
（1）通过运用物理规律分析自然现象，让学生领略自然界的奥妙，增强对大自然的热爱。 （2）通过介绍全反射在科技方面的应用，使学生更加爱科学，学科学，用科学。
四、教学重难点
重点：临界角的概念和全反射的条件； 难点：全反射的应用。
五、教学过程
1.新课引入 （1）知识回顾
引导回顾：一束光从空气射向与玻璃的分界面时会发生什么现象？都遵循什么规律？
反射现象--反射定律，折射现象--折射定律，折射率：（介质）
（真空）2
1sinsinn
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展示表格：
提出问题：当光从空气射入玻璃，入射角≥折射角；那如果光是从水中射入玻璃，入射角和折射角哪个更大呢？ 学生分析：
思路1：水和玻璃之间隔一层空气，当光以同一入射角从空气射入玻璃和水，由于水的折射率比玻璃的小，则水中的折射角要大于玻璃的折射角。所以光从水中射入玻璃，水中的入射角大于玻璃的折射角。 思路2：“光从水中射入玻璃”与“光从空气射入玻璃”的情况是相似的，因为都是从折射率小的介质射入到折射率大的介质。
教师指出：只要介质1的折射率小于介质2 的折射率，那光从介质1射入介质2，介质1的入射角大于介质2的折射角；若垂直射入，入射角等于折射角。
概念1：我们把折射率较大的介质叫做光密介质，折射率较小的介质叫做光疏介质。 提出问题：水是光密介质还是光疏介质呢？
学生分析：水相对空气是光密介质，相对玻璃是光疏介质。 教师指出：光密介质和光疏介质具有相对性。
总结：光从光疏介质射入光密介质，入射角≥折射角。
（2）实验演示
小魔术：一枚硬币放入空的圆底烧瓶，我们看到硬币在烧瓶底部，现在往里注入水，请同学从侧面注意观察这枚硬币。 现象：硬币不见了。
教师引导：刚才确实放了枚硬币进去，可是现在看不到硬币，说明硬币的光没有进入我们的眼睛。那硬币与我们的眼睛隔着哪些物质？
学生分析：水、玻璃、空气。
启发思考：那这硬币的光是没有从水中射入玻璃呢，还是没有从玻璃射入空气呢？
【设计意图】通过回顾上节课的内容，为下面的学习做好铺垫。从小魔术中“看不到硬币”的现象入手，设置悬念，激发学生学习的兴趣；
2.问题探究
（1）探究光从水射向玻璃
引导学生分析：光从水射向玻璃，相当于光从光疏介质射向光密介质，我们知道入射角是大于等于折射角，哪怕入射角增大到90°，折射角也小于90°，说明折射光依然存在。 结论：硬币的光肯定能从水中射入玻璃，换言之，这个光应该不能从玻璃射入空气！
启发思考：那么，为何没能射出呢？
（2）探究光从玻璃射向空气
下面，我们通过一个习题来探讨这一问题。 习题：光从玻璃射向空气，当入射角分别为30°和60°时，折射角为多少？（已知玻璃的折射率为1.47）。
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提示：利用哪个公式计算折射角？入射角30°，对应的是θ1还是θ2呢？ 学生计算分析：入射角为30°，由（介质）
（真空）21sinsinn ，得（介质）（真空）30sinsin1.471，折射角θ1
约为47°；入射角为60°时，算不出折射角。
提出问题：当入射角为60°时折射角的正弦值大于1，在数学上是无解，折射角不存在；那么，在物理上，有何意义呢？
学生猜想：无解在物理上的意义应该是折射光不存在（消失）。 实验验证：入射角为30°时的折射角约为47°；入射角为60°时，折射光消失。 现象：入射角为30°时，折射角约为47°；入射角为60°时，折射光果然消失了，只剩下反射光。
概念2：我们把这种只有反射没有折射的现象叫做全反射。
提出问题：那折射光是在什么时候消失的？此时的入射角有多大呢？ 学生小组讨论并计算说明。
理论分析：折射光刚好消失时，折射角为90°，由nsin90sin2，得47.11n1sin2，入射角
θ2≈43°。
实验验证：当入射角接近43°时，折射光恰好消失。
注意：在实验操作过程中，演示入射角比43°小一些时，折射光仍有；在接近43°时，折射光刚好消失。
概念3：把这个时候刚刚好发生折射光消失时的入射角称为临界角，用符号C表示。则
n
1Csin
。 提出问题：在刚才实验中，同学们是否注意到，入射光调整时，反射光与折射光的强度也会随之变化；那么，当入射角从30°增大到60°过程中，折射光与反射光究竟发生了什么变化？ 学生猜想：
①入射角增大时，反射角增大，折射角增大，折射光减弱，反射光增强； ②当入射角增大到某一角度时，折射光消失，只剩下反射光。 （光的强弱体现在亮度的明暗。） 实验验证：当入射角从30°增大到60°过程中，折射光和反射光的变化。
现象：①入射角增大时，反射角增大，折射角增大，折射光变暗，反射光变亮； ②当入射角增大到某一角度时，折射光的确完全消失，只剩下反射光。
【设计意图】从小魔术的现象入手，进行分类讨论。先学生理论分析，再实验验证的学习方式，让学生感知探究物理问题的过程，并且培养学生小组讨论，分析归纳的能力。
3.新知整合
归纳知识：下面我们一起来归纳全反射的内容。 ①什么是全反射？ 概念
②什么情况下会发生全反射？ 条件 a.光从光密介质射入光疏介质； b.入射角≥临界角(C)
③临界角公式？ n
1Csin
教师指出：根据临界角公式，对于不同的介质，折射率越大，发生全放射的临界角越小。 展示表格：
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教师指出：在这张表格中，我们看到金刚石的折射率最大，其临界角最小，也就是说，发生全反射最容易。所以在光的照射下，金刚石会显得特别的璀璨夺目。因此，我们就可以利用全反射的原理来鉴定钻石的真伪。钻石的成分就是金刚石。一些不良商家常用水晶、玻璃来假冒钻石，我们可以通过其光泽度来对比。
展示实物：钻戒和人造水晶
（图1） （图2）
【设计意图】通过实物的对比加深学生对于“介质折射率大，临界角小，发生全反射容易”在生活中的直观认识。
4.学以致用
（1）解释课前悬疑 引导解释：通过刚才一系列的分析，我想大家对于光为何不能从玻璃射入空气有一定的了解了。回到最初的魔术，为什么我们看不到硬币？
学生分析：硬币的光从水中射向玻璃，相当于光从光疏介质射向光密介质，入射角大于等于折射角，所以光肯定能从水中射入玻璃；但是当光从玻璃射向空气，相当于光密介质射向光疏介质，如果入射角大于等于临界角，会发生全反射，即折射光消失，没有射入空气，所以我们的眼睛接收不到硬币的光，也就看不到硬币了。
教师点评：这是我们利用全发射的知识解释了为什么我们看不到硬币。
（2）解释自然现象
演示实验：将一瓶雪碧倒入空的玻璃杯中，雪碧中的气泡看起来特别明亮。 设疑：这是为什么呢？
学生实验：利用烧杯、试管、水等做一个看起来特别明亮的实物，并且解释现象。 学生动手操作且分析：将一个没有水的试管和一个有水的试管同时放入有水的烧杯里，对比发现没水的试管看起来特别明亮。这是因为光从水中进入玻璃再进入空气时，在试管壁（玻璃）射向与试管内（空气）的分界面时，入射角大于等于临界角，就会发生全反射，所以看到试管特别明亮，像镀了银似的。
教师通过画光路图，加深学生对这一现象的原理进一步认识。 提出问题：那为什么雪碧里的气泡看起来特别明亮呢？ 学生动手画光路图。
师生共同分析：光从雪碧射向与气泡的分界面时，有一部分光会发生折射进入气泡，还有一部分光由于入射角大于等于临界角，会发生全反射，从而进入我们的眼睛，觉得气泡特别明亮。
教师指出：像自然界中水或玻璃中的气泡看起来特别明亮也是因为全反射的缘故。利用全反射我们不仅可以解释自然现象，在其他方面也有很大的应用。 （3）全反射棱镜
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介绍：横截面为等腰直角三角形的玻璃砖是一种全反射棱镜。 ①光垂直于直角边射入
提出问题：光垂直于直角边射入，光路会发生怎样的偏转呢？（图3）
学生动手画光路图 学生分析光路 两人一组实验验证 上台演示 提出问题：通过这样的棱镜就可以改变光的传播路径。在我们的生活中有什么应用呢？ 激趣游戏：师生共同完成——教师仰望天空通过全反射棱镜能看到桌面上学生写的字。
学生尝试通过全反射棱镜仰望天空看书桌。
教师指出：如果有两块这样的全反射棱镜，我躺在床上能看电视，仰望天空也能看书桌上的书。再把它包装一下，就是我们的懒人眼镜(图4)。 ②光垂直于斜边射入
提出问题：光垂直于斜边射入，光路会发生怎样的偏转呢？（图5）
学生动手画光路图 学生分析光路 两人一组实验验证 上台演示 展示图片：自行车尾灯（图6）
引导学生描述尾灯背面的形状:背面突出，其横截面为等腰直角三角形的三棱柱。 提出问题：反光片背面是由许多的截面为等腰直角三角形的棱镜组成的，这 样的构造有什么优势呢？
引导学生画光路图（图7）。
教师指出：夜间行车时，当后面的汽车发出的光照在尾灯上，会发生全反射让光反射回去，从而使后面的司机注意到前面的自行车，减速慢行。除此之外，汽车后面也有这样利用全反射原理制成的尾灯（如下图8、9）。
（图8） （图9） （图10） 全反射棱镜在潜望镜中也有一定的应用。潜望镜在潜水艇、坦克等中常用于观察周围环境的一种装置。以潜水艇的潜望镜为例。
展示图片：潜水艇的潜望镜（图10）
学生动手操作：根据潜望镜的功能，通过放入全反射棱镜设计一个简易的潜望镜。 提示：我们的眼睛之所以能看到外面的景物，是因为外面的光进入我们的眼睛。
(图11)
提出问题：除了放全反射棱镜，还有其他选择吗？
学生分析：放入平面镜。 教师指出：（全反射棱镜的优势）全反射棱镜比之平面镜，它的反射率极高，几乎可达
后车无光 后车光照射
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100%，也不需要在反射面涂敷任何物质，所以反射时失真小。因此，对于精密的光学仪器，如双筒望远镜、显微镜、照相机等常用全反射棱镜代替平面镜，用来改变光的传播方向。
（4）光导纤维
演示实验：激光从弯曲的玻璃棒一端射入，请同学们注意观察光的传播路径有什么特点。 现象：另一端有光，说明光沿弯曲的玻璃棒传播。
提出问题：为什么光能沿弯曲的玻璃棒传播？难道光路是弯曲的吗？
学生分析：光从玻璃射向与空气的分界面时，如果入射角大于等于临界角，会发生全反射，所以光在玻璃棒中是沿锯齿形路线传播。
教师指出：这就是光导纤维导光的原理，光导纤维简称光纤。
演示实验：光纤本身不发光，但是把激光从一端射入，弯曲光纤，另一端有光，说明光在光纤里传播了。
提出问题：那为什么光能在光纤里传播？全反射的条件是？
学生分析：发生全反射。光从光密介质射向光疏介质，入射角大于等于临界角。 教师指出：也就是说这根光纤很有可能是有两层物质。剥开光纤一探究竟。 展示图片：被剥开的光纤（图12） 介绍光纤的结构：内芯和外套 教师指出：实用光纤只有几微米到一百微米，如头发丝一样粗细。通过这样的光纤我们只能传输一个光点，那如果我想要传输一张图片呢？
引导学生分析：把光导纤维积聚成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，带有图像的激光就能从一端传送到千里之外的另一端。通过这样的方式也可以传送声音。这就是光导纤维通信的原理。
介绍光导纤维应用演示器。
提出问题：利用光纤通信有什么优势呢？
学生看书后回答：光纤容量大，比如一路光纤的传输能力理论值为二十亿路电话，一千万路电视；衰减小，抗干扰性强，速度快。
教师补充：其材料为玻璃纤维，直径又小，所以重量轻，且成本低等。 提出问题：利用光纤通信这么好的想法最早是由哪位科学家提出的呢？
介绍高琨：1966年，华裔科学家高琨博士在其论文中首次提出用直径仅几微米的玻璃纤维做为光的波导来传输大量信息。之后，他一直致力于光纤通信的发展。43年以后，他也因此获得了09年的诺贝尔物理学奖。
介绍内窥镜：光纤不仅在通信上有着巨大贡献，在医学上也有很大的应用。光纤在医学上制成的内窥镜用来检查人体内部器官。实际的内窥镜有两组光纤，一组把光传送到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。
教师指出：除此之外，光导纤维在照明上，在装饰上都有着巨大的作用（展示图片）。 介绍儿童玩具花灯：利用光纤导光。
总结：光导纤维除了上述所提到的，它还在军事、广播、电视等都发挥着巨大作用。现代生活中我们已经离不开光纤，光纤在我们的生活中已经随处可见。
【设计意图】通过解释自然现象，以及动手操作，加深学生对全反射的认识和理解。教师利用全反射棱镜看桌面上学生写的字，促进师生互动，加深学生对于全反射棱镜改变光路的认识。并且创设实验和思维的互动情境，让学生能从不同的侧面，通过不同的途径、不同的方式认识全反射再生活中的应用。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
