《全反射》教学教案

《全反射》精品教案一、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。二、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。三、教学重难点【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。四、教学过程1）【引入新课】全反射现象想一想：水中和玻璃中的气泡，还有叶子上的露珠看起来特别明亮，这是为什么？晶莹剔透的露珠晶莹剔透的露珠水中的气泡看上去特别明亮2）【进行新课】探究点一、全反射1、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酒精相对于水是光密介质酒精相对于玻璃是光疏介质注意：“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。【讨论与思考】既然光由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。可以预料，当入射角增大到一定程度，但还没有达到900时，折射角就会增大到900。如果入射角再增大，会出现什么现象？2、全反射【实验探究：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边上，观察平直边与空气界面发生的实验现象。逐渐增大入射角，观察反射光线和折射光线的变化。实验现象及结论当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射，如果入射角逐渐增大，折射光离法线越来越远，而且越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到900时，折射光完全消失，只剩下反射光。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900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；临界角的计算生活中的全反射现象（1）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。水中的气泡看上去特别明亮水中的气泡看上去特别明亮（2）【水下的灯】水中的灯只能照亮水面上一块圆面，为什么？从水射到空气时，当入射角大于临界角时，发生全反射，所以只能照亮水面上的一块圆面从水射到空气时，当入射角大于临界角时，发生全反射，所以只能照亮水面上的一块圆面。（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？这个圆锥的顶角多大？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。优点：（1）反射率高，几乎可达100%；（2）因反射面不必涂敷任何反射物质，故反射时失真小。全反射棱镜的应用探究点三、全反射的应用实例1．光导纤维【观察与思考】演示：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。现象：光沿着弯曲的玻璃棒转弯原因：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。光导纤维光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到几百微米之间，由内芯与外套两层组成．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。把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相对位置相同，图像就可以从一端传到另一端了。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。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光导纤维的用途很大，通过它可以实现光纤通信2、水流导光水流导光：光在水的内表面发生多次全反射五、板书设计课后篇巩固提升必备知识基础练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解析全反射发生的条件是光从光密介质射向光疏介质和入射角大于等于临界角,二者缺一不可,故选项B、D错误,C正确;发生全反射时,折射光线全部消失,只剩下反射光线,选项A错误。答案C2.光线由空气透过半圆形玻璃砖,再射入空气的光路图中,正确的是(玻璃的折射率为1.5)()A.图乙、丙、丁 B.图乙、丁C.图乙、丙 D.图甲、丙解析题图甲、乙情景中,光由空气进入玻璃,由光疏介质进入光密介质,应有θ1>θ2,乙正确,甲错误;题图丙、丁情景中,光由玻璃进入空气中,sinC=1n=23<22=sin45°,即C<45°,答案B3.(山东潍坊一中高二期末)将塑料瓶下侧开一个小孔,瓶中灌入清水,水就从小孔流出。将激光水平射向塑料瓶小孔,观察到激光束沿水流方向发生了弯曲,光被限制在水流内。则下列说法正确的是()A.激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生折射B.激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生全反射C.改用折射率更大的液体,激光束便不能被限制在水流内D.激光在水中的传播速度大于其在空气中的传播速度解析激光束发生弯曲是因为光在水柱与空气界面上发生了全反射,就像光导纤维一样,选项A错误,B正确;改用折射率更大的液体,根据sinC=1n,得临界角变小,光束仍可在水流中发生全反射,选项C错误;根据v=cn可知,激光在水中的传播速度小于其在空气中的传播速度,选项答案B4.三种透明介质叠放在一起,且相互平行,一束光在Ⅰ和Ⅱ两介质的界面上发生了全反射后,射向Ⅱ和Ⅲ两介质界面,发生折射,如图所示,设定光在这三种介质中的速率分别是v1、v2、v3,则它们的大小关系是()A.v1>v2>v3 B.v1>v3>v2C.v1<v2<v3 D.v2>v1>v3解析光在Ⅰ和Ⅱ两介质的界面上发生了全反射,说明Ⅰ的折射率小于Ⅱ的折射率,即n1<n2;光射向Ⅱ和Ⅲ两介质界面时发生了折射,而且折射角大于入射角,说明Ⅱ的折射率大于Ⅲ的折射率,即n2>n3;介质Ⅰ与Ⅲ相比较,介质Ⅰ的折射率小于介质Ⅲ的折射率,即有n1<n3,所以有n2>n3>n1,根据光在这三种介质中的速率公式v=cn得知,光速与折射率成反比,则v1>v3>v2答案B5.(多选)已知介质对某单色光的临界角为C,则()A.该介质对此单色光的折射率等于1B.此单色光在该介质中的传播速度等于c·sinC(c是光在真空中的传播速度)C.此单色光在该介质中的传播波长是在真空中波长的sinC倍D.此单色光在该介质中的频率是真空中的1sin解析由临界角的计算式sinC=1n,得n=1sinC,选项A正确;将n=cv代入sinC=1n,得sinC=vc,故v=csinC,选项B正确;设该单色光的频率为f,在真空中的波长为λ0,在介质中的波长为λ,由波长、频率、光速的关系得c=λ0f,v=λf,故sinC=vc=λλ0,λ=λ0sinC,答案ABC6.(山东高二期末)如图所示,一运动员在清澈的水池里沿直线以0.5m/s的速度游泳,已知水深为7m,不考虑水面波动对视线的影响。t=0时刻他看到自己正下方的水底有一小石块,t=6s时他恰好看不到小石块了(眼睛在水面之上),下列说法正确的是()A.6s后,运动员会再次看到水底的小石块B.水的折射率n=5C.水的折射率n=4D.水的折射率n=7解析t=6s时恰好看不到小石块,则知光线恰好发生了全反射,入射角等于临界角C,6s后,入射角大于临界角,光线仍发生全反射,所以不会看到小石块,故A错误;t=6s时通过的位移为x=vt=0.5×6m=3m,根据全反射临界角公式得sinC=1n,sinC=xℎ2+x2=34,则n=答案C7.如图所示,一段横截面为正方形的玻璃棒,中间部分弯成14圆弧状,一细束单色光由MN端面的中点垂直射入,恰好能在弧面EF上发生全反射,然后垂直PQ(1)求该玻璃棒的折射率;(2)若将入射光向N端平移,当第一次射到弧面EF上时(选填“能”“不能”或“无法确定能否”)发生全反射。

解析(1)因为细束单色光由MN端面中点垂直射入,所以到达弧面EF界面时入射角为45°,又因为恰好发生全反射,所以45°为临界角C,由sinC=1n可知,该玻璃棒的折射率n=1(2)若将入射光向N端平移,第一次射到弧面EF上的入射角将增大,即大于临界角45°,所以能发生全反射。答案(1)2(2)能8.(山西朔州高二期中)如图所示,一半径为R,高度也为R的圆柱形均匀透明体的底面中心处有一点光源S,在圆柱体的上表面有一点M,M离上表面中心O的距离d=33R,经过M(1)求透明体的折射率n;(2)从透明体上表面观察,若要看不到光源,可用不透明的黑纸覆盖上表面,求黑纸的最小面积Smin。解析(1)如图所示,tanθ=dR=33,解得入射角i=θ=30°,折射角为r=60°,(2)设临界角为C,黑纸的最小半径为rmin,则sinC=1n=33,i=C时恰好发生全反射,由几何关系可知sinC=rminrmin2+R2答案(1)3(2)12πR关键能力提升练9.(多选)如图所示,半径为R的半圆形透明材料,折射率n=2.0。一束平行光从空气以垂直于其底面的方向射入,则下列说法正确的是()A.所有光线都能透过这种材料B.只有距圆心O两侧R2C.射出的光束会形成发散光束D.射出的光束会形成会聚光束解析平行光射到底面时,光线与界面垂直,方向不变,继续射到球面时,距O越远的光线射到球面的入射角越大,越易发生全反射,距圆心O两侧R2范围内的光线入射角小于临界角C=arcsin1n=30°,发生折射形成会聚光束,如图所示,距圆心O大于答案BD10.一束细光束由真空沿着径向射入一块半圆柱形透明体,如图甲所示,对其射出后的折射光线的强度进行记录,发现折射光线的强度随着θ的变化而变化,如图乙的图线所示,此透明体的临界角为,折射率为。

解析由题图乙的图线可知,当θ小于等于30°时,入射角大于等于60°,折射光线的强度为零,所以此透明体的临界角为60°,由临界角公式sinC=1n,解得n=2答案60°211.如图所示,玻璃材料制成的一棱镜的截面图,一细光束从圆弧AB的中点E点沿半径射入棱镜后,恰好在圆心O点发生全反射,经CD面反射,再从圆弧的F点射出,已知,OA=a,OD=24a(1)出射光线与法线夹角的正弦值;(2)光在棱镜中传播的时间。解析(1)作出光路图如图。根据几何关系可知,临界角为C=45°。根据全反射定律得n=1sinOG=2OD=12a,sinα=根据折射定律得n=sinβsinα,解得sinβ(2)光在棱镜中的传播速度v=c由几何知识得,光线传播的长度为l=a+12a+3光在棱镜中传播的时间t=lv答案(1)22(2)12.如图所示,一条长度为l=5.0m的光导纤维的内芯用折射率为n的材料制成,外套的折射率可认为与空气的折射率相等且等于1。一细束激光从其左端的中心点以i角入射到光导纤维的端面上,并射入其中,设折射角为α,经过一系列的全反射后从右端面射出。(1)若n=2,i=45°,则该激光在光导纤维中的速度v是多大?(2)若n=2,i=45°,则该激光在光导纤维中的传输时间是多少?(3)若要保证不管i取何值时,激光都不会从光导纤维的侧面漏出,试求n的取值范围。解析(1)由n=cv可得v=2.1×108m/