人教版 (2019)第四章 光2 全反射优秀教学设计

第四章　光

第2节　全反射

【教材分析】

本节课程是高中物理光学部分的一个重点，也是难点，学习全反射的内容涉及直线传播、反射、折射的知识，从本质上进一步理解和应用折射定律和折射率，让学生有效体会和熟练应用光路可逆知识解决光的传播问题。所以全反射既是新知识的学习，又是对前面所学知识的巩固和深化。

【教学目标与核心素养】

【物理观念】知道全反射现象揭示了光路的可逆性，本质是光从光密介质射向光疏介质时，折射角大于等于90°的一种物理现象。

【科学思维】了解全反射现象的本质，知道发生全反射现象的条件，并能够对相应物理问题进行定性分析与定量运算。

【科学探究】通过观看演示视频，引导学生从实验现象中探索事物的本质，学生分组对实验进行探究，得出发生全反射的条件，知道临界角的概念及物理意义。

【科学态度与责任】让学生发掘大自然中的物理现象，领略物理之美；体会生活中处处蕴含物理知识，物理就在身边，从而进一步培养学生学习物理的兴趣。

【教学重点与难点】

【教学重点】临界角的概念及表达式、全反射的条件、全反射的应用。

【教学难点】全反射的条件、全反射的应用。

【教学过程】

一、【引入新课】

全反射现象

沙漠蜃景                                    海市蜃楼

全反射的应用

全反射棱镜                             光纤通信(光缆)

想一想：水中的气泡看上去特别明亮，这是为什么呢？

二、【进行新课】

探究点一、全反射

光疏介质和光密介质

光疏介质：两种介质中折射率较小的介质叫做光疏介质。

光密介质：两种介质中折射率较大的介质叫做光密介质。

几种常见物质的折射率

玻璃相对于水是光密介质。

玻璃相对于金刚石是光疏介质。

注意：“光密介质”和“光疏介质”是相对而言的，对其界定是以折射率为依据的。

光由光密介质进入光疏介质时，如果入射角不断增大，使折射角增大到90°时，会出现什么现象？

想一想：

观察全反射现象

如图，让光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的平直的边上，在这个边与空气的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。

观察全反射现象

实验现象

随着入射角的逐渐增大的过程中

折射角逐渐增大；

折射光线亮度逐渐减弱；

反射角逐渐增大；

反射光线亮度逐渐增强；

当入射角增大到某一角度时，折射光线消失，所有光线全部反射。

全反射的定义

全反射：当光从光密介质射入光疏介质时，入射角逐渐增大到某一角度，光线全部被反射回原光密介质的现象。

临界角：当光从光密介质射入光疏介质时，折射角等于90°角时的入射角叫做临界角。用C表示。

发生全反射的条件

（1）光从光密介质射入光疏介质；

（2）入射角等于或大于临界角。

临界角C的大小由折射率可得：

临界角的正弦值：

思考与讨论：

由于不同介质的折射率不同，在光从介质射入空气（真空）时，发生全反射的临界角是不一样的。怎样计算光从折射率为n的某种介质射入空气（真空）发生全反射时的临界角C？计算时可以先考虑图的情形：光以接近90°的入射角从空气射入介质，求出这时的折射角。根据光路可逆的道理，也就知道光从介质射入空气时发生全反射的临界角了。

不同介质的临界角

探究点二、全反射棱镜

玻璃棱镜的截面为等腰直角三角形，当光从图中所示的方向射入玻璃时，由于光的方向与玻璃面垂直，光线不发生偏折。但在玻璃内部，光射向玻璃与空气的界面时，入射角大于临界角，发生全反射。与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达100%。这种棱镜在光学仪器中可用来改变光的方向。

全反射棱镜

全反射棱镜——提高反射率

双筒望远镜中的全反射棱镜

探究点三、光导纤维

1966年，33岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。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。

高锟（1933-2018）

想一想：

观察光在弯曲的有机玻璃棒中传播的路径

如图，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。

当光在有机玻璃棒内传播时，如果从有机玻璃射向空气的入射角大于临界角，光会发生全反射，于是光在有机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。

实用光导纤维的直径只有几微米到一百微米。因为很细，一定程度上可以弯折。它由内芯和外套两层组成，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（图1）。医学上用这种光纤制成内窥镜②（图2）用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。实际的内窥镜装有两组光纤，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。

光也可以像无线电波那样，作为载体来传递信息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以传到千里以外的另一端，实现光纤通信。

图1                            图2

光导纤维

光导纤维的用途很大，医学上将其制成内窥镜，用来检查人体内脏的内部。

实际的内窥镜装有两组光纤，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。

光导纤维的用途很大，通过它可以实现光纤通信。

光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰性强。
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。

虽然光纤通信的发展历史只有20多年的，但是发展的速度是惊人的。

光纤

做一做

水流导光

将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。用激光水平射向塑料瓶小孔（图激光可由激光笔产生），观察光的传播路径。

水流导光

原理：

和光导纤维（光纤）是一个原理，光在从一种介质到另一种介质中的时候会发生反射和折射，使得光在介质内部多次反射最终从另一个方向投射出来。

课堂重点知识小结

随堂练习

例1：(多选)已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是(　　)

A.从玻璃射入水晶 B.从水射入二硫化碳

C.从玻璃射入水中 D.从水晶射入水

E.从玻璃射入二硫化碳

【答案】ACD

【解析】发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，光疏介质折射率较小，故A、C、D正确。

例2：(多选)关于全反射，下列说法正确的是(　　)

A.光只有从光密介质射向光疏介质时才可能发生全反射现象

B.光只有从光疏介质射向光密介质时才可能发生全反射现象

C.光只有从折射率大的介质射向折射率小的介质时才可能发生全反射现象

D.光只有从折射率小的介质射向折射率大的介质时才可能发生全反射现象

【答案】：AC

【解析】光从光密介质射向光疏介质时，若入射角大于或等于临界角，会发生全反射现象；光从光疏介质射向光密介质时，不会发生全反射现象，A正确，B错误；光只有从折射率大的介质射向折射率小的介质时，才可能发生全反射现象，C正确，D错误。

例3：(多选)如图所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面是玻璃和空气的界面，分别设为界面Ⅰ和界面Ⅱ。光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出回到空气中。如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则(　　)

A.只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象

B.只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象

C.不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象

D.不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象

【答案】CD

【解析】在界面Ⅰ光由空气进入玻璃砖，是由光疏介质进入光密介质，不管入射角多大，都不可能发生全反射现象，选项A错误，C正确；在界面Ⅱ光由玻璃进入空气，是由光密介质进入光疏介质，但由于界面Ⅰ和界面Ⅱ平行，光由界面Ⅰ进入玻璃后再到达界面Ⅱ，在界面Ⅱ上的入射角等于在界面Ⅰ上的折射角，故界面Ⅱ上的入射角总是小于临界角，因此光在界面Ⅱ上不可能发生全反射现象，选项B错误，D正确。