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    人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光2 全反射一等奖教案设计

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    这是一份人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光2 全反射一等奖教案设计,共8页。教案主要包含了教学目标,教学重点,教学难点,教学过程,课后练习等内容,欢迎下载使用。




    【教学目标】


    一、知识与技能


    1.知道什么是光疏介质和光密介质及相对性。


    2.掌握临界角的概念和发生全反射的条件。


    3.了解全反射现象的应用。


    4.通过实验培养学生的观察能力,概括出发生全反射的条件,培养学生的观察、概括能力。


    二、过程与方法


    1.通过实验设计和动手操作,经历科学探究的过程。


    2.通过演示实验,学会科学的实验方法——实验探究法。


    三、情感、态度与价值观


    1.从对生活中有关物理现象的观察,渗透在探究过程中体验解决问题的成功喜悦,激发学生探索自然规律的兴趣。


    2.通过互动实验,培养学生探究科学知识的兴趣和实事求是的科学态度。


    3.通过全反射现象的应用,培养学生运用科学理论观察分析周围事物的习惯。


    【教学重点】


    探究全反射现象;理解临界角的概念和全反射条件。


    【教学难点】


    全反射在实际中的运用。


    【教学过程】


    一、复习提问、新课导入


    演示实验:奇妙的“光镀”。


    将小球放入试管中,然后将试管斜插入盛水的玻璃缸中,从水面上方观察水中的试管,与在空气中的试管有什么区别?能看到小球吗?向试管中注入清水,又会看到什么现象?


    演示与现象:先将小球入试管,展示给学生看,能看清试管中的小球。当试管斜插入水中时,试管内壁好像镀了一层银,小球不见了。再往试管中注入清水,小球又重新显现。


    学生通过观察奇妙的现象,提高学习兴趣,激发求知欲。


    二、新课教学


    (一)光密介质和光疏介质


    1.知识回顾(光的折射):n=sinisinr、n=cv


    情景:一束光线以相同的入射角θ1从空气射入介质1和介质2时,若θ2>θ3,则介质1的折射率n1和介质2的折射率n2满足:n1_______n2。





    引出新概念:对于两种介质来说,我们把折射率较小的介质称为光疏介质,折射率较大的介质称为光密介质。


    光疏介质与光密介质是相对的。例如:水、酒精和玻璃三种物质相比较,酒精对水来说是光密介质,而酒精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。


    (二)全反射


    1.发生全反射现象的条件


    (1)问题讨论:光线从空气透过半圆形玻璃砖再射入空气,下列光路图中可能正确的是:( )





    学生讨论后请一学生回答并说明理由。


    引导学生思考:对C图,若增大入射角,则折射角和入射角哪个先达到90°,当折射角达到90°时会发生什么现象,此时继续增大入射角,又会看到什么现象?


    (2)实验探究





    ①演示实验


    实验(一):将半圆形玻璃砖的半圆一侧靠近激光光源一侧,开始时激光垂直于半圆形玻璃砖的直平面(通过圆心)入射,此时入射角0°,折射角亦为0°,即沿直线透出,当入射角增大时,让学生观察发生的现象。


    实验(二):将半圆形玻璃砖的直平面一侧靠近激光光源一侧,开始时激光垂直于半圆形玻璃砖的直平面(通过圆心)入射,光从空气入射到半圆形玻璃砖,在增大入射角,让学生观察发生的现象。


    提醒学生仔细观察,关注折射角和反射角与入射角的大小关系,折射光线、反射光线亮度的如何变化。


    现象:实验(一)中,当入射角增大到某一值时,折射光线消失。此时继续增大入射角时,只有反射光线,没有折射光线。


    引出概念:


    临界角C:折射角等于90°时的入射角。


    全反射:当光从一种介质射入另一种介质,入射角增大到某一角度,折射光完全消失,只剩反射光的现象。


    ②问题讨论:


    实验(一)中,折射光线是突然消失还逐渐消失?随着入射角增大,反射光和折射光的亮度分别发生怎样的变化?能否从能量守恒的角度加以解释。


    在实验(二)中,随着入射角的增大,会发生全反射现象吗?为什么?


    能否通过上述实验归纳出发生全反射的条件?


    学生讨论后请一学生回答。


    教师引导学生重点分析实验(一)中会发生全反射,而实验(二)不会发生全反射的原因。


    学生分析:实验(一)光从玻璃射入空气时,折射角大于入射角,当入射角增大时,折射角先达到90°,此后折射光线消失,发生全反射。此过程折射光的亮度逐渐减弱,根据能量守恒,反射光的亮度逐渐变强;实验(二)中光从空气射入玻璃,折射角小于入射角,入射角先达到90°,不可能发生全反射。


    ③实验结论:


    通过对比,从而总结出发生全反射的条件:


    光从光密介质射入光疏介质;


    入射角大于或等于临界角。


    2.临界角C与折射率n的关系


    提出问题:临界角的大小可能与什么因素有关呢?


    引导学生猜想:


    (1)在刚才的实验中如果将玻璃换成水,临界角会一样吗?


    (2)如果临界角与介质有关,那么是与介质的什么性质有关呢?(光学性质)


    (3)什么物理量反映介质的光学性质呢?(折射率n)


    启发学生利用恰好发生全反射的光路图(如右图)和折射率的定义式来寻找临界角C与介质折射率的关系。


    学生推导:


    n=sin90∘sinC=1sinC


    ∴sinC=1n


    可见,临界角的正弦值与介质的折射率成反比,即介质的折射率越大,临界角越小。


    (三)问题研究,深化理解


    1.问题(一):在水面下方某一深度处有一个点光源,从水面上看,它照亮水面的几何形状是_______形。当光源在水中上升时,该形状的面积将_______(变大、变小或不变)。


    学生先分析讨论,并适时引导学生分析。


    教师引导:从题意看,水面被照亮的部分是一个有限的区域,即有部分光无法射出水面,那么哪些光无法射出水面,为什么?要知道被照亮的水面的形状,应尝试画出光路图帮助分析。


    (1)理论分析:


    请一学生上台板画,并加以解释。


    学生分析:光源发出的射向水面的光线中,入射点离中心越远的光线的入射角越大,当入射角≥临界角C时发生全反射,如图所示,只有以R为半径的圆形区域有折射光线,圆形区域以外的区域没有折射光线。由于tanC=Rh,当光源在水中上升时,h减小,R随之减小,即亮斑面积减小。


    (2)实验验证:将发光的小灯置于盛水的玻璃缸底,为了增加可视性在水面洒痱子粉,可看到水面形成一圆形亮斑,提升发光的小灯泡,亮斑变小。


    2.问题(二):能否利用一块圆形的泡沫塑料板和一根细杆测定水的折射率?需要测量哪些物理量?尝试做一做。


    教师提示:折射率与临界角有关系,只要知道了临界角,就可知道折射率。


    学生分组讨论,引导学生设计实验方案,实验步骤,分析需测量的物理量,结合上一题的演示实验,画出光路图。


    请一学生画出光路图,并介绍实验方案:将细杆从圆形泡沫塑料板的圆心垂直板面缓慢插入,眼睛从水面上方往下看,当杆的尖端恰能被看到时停止插入。细杆尖端相当于一个光源,它发出的射向水面塑料板边缘处的光线恰好发生了全反射,圆形泡沫塑料板面积相当于上题中被光源照亮的区域,细杆在水中的长度相当于光源的深度,故只要测出圆形泡沫塑料板的半径R和细杆在水中的长度h,即可求得不的折射率。


    n=1sinC=1RR2+h2=R2+h2R


    学生分组实验测出R和h,由于计算较繁琐,数据处理留在课后进行。


    (四)全反射的应用


    1.光导纤维


    播放视频:光导纤维(介绍光导纤维的结构、制作、应用及光纤通信的优点等。)


    (1)光纤通信的主要优点:容量大、衰减小、抗干扰性强。


    (2)光纤中的内芯折射率n1和外套折射率n2的关系:n1>n2


    介绍美籍华裔科学家高锟——“光纤之父”,由于在光纤通信方向的卓越贡献,被授以2009年度诺贝尔物理学奖。


    2.全反射棱镜:(截面为等腰直角三角形的棱镜)


    (1)全反射的应用:让学生列举日常生活中常见的全反射的应用实例:自行车尾灯、潜望镜、望远镜等。


    (2)分析棱镜反射和利用一般平面镜反射的异同,指出棱镜反射的优点。


    全反射棱镜优越性:光的强度不变,反射率高,接近达到100%,成像失真小。


    (五)学以致用


    问题1:为什么水中的气泡看起来特别明亮?


    学生思考后回答:水中的气泡看起来特别明亮,是因为光线从水中射向气泡时,一部分光在界面上发生了全反射,所以看起来特别明亮,如下甲图所示。





    甲 乙 丙


    问题2:解释奇妙的“光镀”


    引导学生思考:


    (1)为什么试管斜插入水中后,从水面上方看水中的试管特别明亮,为什么看不到小球了(如图乙)?


    (学生:发生了全反射,全反射光特别强烈,小球经玻璃和水折射的光相对较弱,故小球看不到。)


    (2)是在水与玻璃的界面还是在玻璃与空气的界面发生了全反射?


    (学生:在玻璃与空气的界面发生了全反射)


    (3)试管中注入清水后,为什么试管中的小球重现(如图丙)?


    (学生:试管中注入清水后排出空气,不再发生全反射,小球发出的光线经玻璃和水折射进入人的眼睛,故能清晰看到试管中的小球。)


    【课后练习】


    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1.5×108m/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=cv可得该介质的折射率n=2,再由sinc=1n得sinc=12,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=2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arctan2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=sinθ1sinθ2可知θ2=30°时对应的入射角θ1=45°,故C对;由入射角θ1=arctan2可知tanθ1=2,即sinθ1csθ1=2,再由折射率n=sinθ1sinθ2=2可得sinθ2=csθ1,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α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,α小于某一值


    B.n1<n2,α大于某一值


    C.n1>n2,α大于某一值


    D.n1<n2,α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α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=1sinC,解得n=72。


    答案:72


    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2m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=222+h2 又有sinC=1n,故222+h2=34 h≈1.76m。


    答案:1.76m
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