高中物理教案第十七章光的傳播三全反射

高中物理教案：第十七章光的傳播（三、全反射）【教學目的】1．全反射現(xiàn)象及其發(fā)生條件2．臨界角的計算3．全反射的應用【教學重點】全反射現(xiàn)象及其發(fā)生條件【教學難點】綜合光路可逆知識和三角函數(shù)常識求解臨界角、理解發(fā)生全反射的條件【教學難點】激光器、半圓形玻璃磚、模擬光導纖維【教學過程】復習引入復習啟發(fā)：我們才作過“測定玻璃折射率”的實驗，請同學們回憶一下，當入射角非常接近90°時，我們做實驗觀察時有什么感覺？學生：比較難以看清P1和P2兩顆針。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？還是讓我們回到相關的物理學史。原來，物理學家們在探討光的折射的方向規(guī)律時，也探討過能量分配的規(guī)律。下表是斯涅爾測量的、光線從空氣射入玻璃界面時，反射光和折射光的能量分配情況──入射角入射光線能量為(100％)反射光線能量折射光線能量0°100％4.7％95.3％30°100％4.9％95.1％60°100％9.8％90.2％80°100％39％61％90°100％100％0％從這個表格的數(shù)據(jù)，同學們可以發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？學生：隨著入射角的增大，反射光的能量分配加大，而折射光的能量分配減小。事實上，這種能量的分配情況在交換介質之后，還會出現(xiàn)更加有趣的情形──一全反射為了方便表達全反射的規(guī)律，這里先介紹兩個新的名詞──1．光疏介質和光密介質光疏介質：兩種介質中折射率較小的介質叫做光疏介質。光密介質：兩種介質中折射率較大的介質叫做光密介質。很顯然，這是一個通過相互比較得出的概念，所以沒有絕對的光疏介質和絕對的光密介質。示例：水和空氣比較；水和金剛石比較…提問1：光線從光疏介質傳播到光密介質比較，傳播速度會怎樣變化？學生：

v疏＞v密提問2：光線從光疏介質傳播到光密介質比較，傳播方向有什么規(guī)律？學生：

折射角小于入射角。（反之，折射角大于入射角。）提問3：光密介質的密度是不是一定比光疏介質大？學生：查“幾種介質的折射率”表格，再做結論。很顯然，光疏和光密是相對光的傳播而言，而與物質的密度沒有必然聯(lián)系。過渡：剛才我們已經(jīng)總結過了，光線從光密介質傳播到光疏介質時，折射角總是大于入射角的，而當入射角增大時，反射角也會同時增大，這時，哪一個角先趨近90°呢？學生：折射角。趨近90°后，折射光線又怎樣傳播呢？下面看實驗演示──演示：光的全反射實驗提請學生觀察：a．反射光和折射光的強度變化；b．折射光的方向變化提問：在強度方面，斯涅爾的研究是不是得到重現(xiàn)？學生：是的。啟發(fā)：入射角增大到一定的角度后，折射光還存不存在？2．全反射：：當光從光密介質進入光疏介質時，折射角大于入射角。當入射角增大到某一角度時，折射角等于900，此時，折射光完全消失，入射光全部反回原來的介質中，這種現(xiàn)象叫做全反射。全反射的物理意義：折射光的能量為零，入射光的能量全部等于反射光。全反射的數(shù)學意義：我們看一種簡單的全反射情形──某介質（折射率為n）到真空（或空氣）。為了應用已經(jīng)學過的折射定律，我們先假設它的可逆光路（參看圖1）……然后，不難得出參照=，即sinθ2

=nsinθ1

，顯然，當θ1足夠大時，會出現(xiàn)sinθ2＞1，θ2無解。很顯然，θ2有解和無解的臨界情形是θ2

=90°，此時θ1

=arcsin3．臨界角：為了顯示這個角的特殊意義，我們給它一個特定的字母C，并將它稱為臨界角。即C=arcsin有了臨界角C，我們就不難總結出全反射的條件──當入射角i≥C時，發(fā)生全反射形象，若入射角i＜C時，則不發(fā)生全反射，既有反射又有折射形象。那么，臨界角的物理意義又是什么呢？當光線以相同的入射角從不同的介質射入真空（或空氣），臨界角大的介質容易發(fā)生全反射還是臨界角小的介質容易發(fā)生全反射？學生：臨界角小的。那么，請同學們查一查“幾種介質的折射率”表格，當光線從這些介質中射入真空（或空氣），最容易發(fā)生全反射的介質是什么？學生：金剛石。事實上，鉆石的璀璨、神秘的光芒正是由于光線在其中發(fā)生多次全反射的結果。此外，玻璃中的氣泡顯得特別明亮、露珠顯得幽暗，這些都是全反射造成的。過渡：人們研究全反射，除了解釋一些物理現(xiàn)象外，還有什么別的價值嗎？二光導纖維光導纖維簡稱光纖，我們常聽到的“光纖通信”就是利用的光線在光纖中的全反射原理。光線在光纖中是怎樣發(fā)生全反射的呢？我們先看一個實驗──演示：光線在“模擬光纖”中的全反射。提請學生觀察：a．玻璃棒周圍有沒有光線射出；b．從玻璃棒末端射出的光強度和沒有插玻璃棒時，光線從小孔射出時的強度。總結：玻璃棒的側面幾乎沒有光線射出；玻璃棒幾乎“導出”的小空中所有光的能量。形成這一現(xiàn)象的原因是什么呢？師生共同作圖分析…見圖2。啟發(fā)：如果讓這根玻璃棒繼續(xù)彎曲下去──成為很多圈，以上的這種性質會改變嗎？學生：不會。思考啟發(fā)：如果將玻璃棒的彎曲程度加大，以上的這種性質會改變嗎？學生：會（在圖2中的2處和4處可能不滿足全反射的條件…）。但是，在彎曲程度加大的前提下，同時將玻璃棒做的很細，以上的狀況會有所改善嗎？學生：交流、作圖…得出結論（會）。我們都知道玻璃本來是非常堅硬的，但是有一種特制的玻璃絲，卻可以做的非常柔軟、非常細?，F(xiàn)在，我們將這樣的多根玻璃纖維捆綁成一束，然后，將首端的光照情況遵循某種規(guī)律，如圖3，則在纖維束的末端，會出現(xiàn)什么情況？學生：呈現(xiàn)首端一樣的規(guī)律。同學們，這就是光導纖維傳遞信息的基本原理。在傳遞信息的手段中，我們已經(jīng)學過了機械傳送、機械波傳遞、有限電流傳遞、無線電波傳輸?shù)鹊取，F(xiàn)在又出現(xiàn)一個光線傳輸，光纖傳輸有什么樣的特點呢？1．一維傳輸。能流密度不變；2．作為電磁波，波段特別，抗干擾性強；光導纖維應用的領域：醫(yī)療、通信…學生：光導纖維的前沿知識閱讀…〖例題〗在水中的魚看來，水面上和岸上的所有景物，都出現(xiàn)在頂角約為97.6°的倒立錐面里（如圖4所示），為什么？分析：本題是一個全反射的逆向應用。根據(jù)水的折射率，不難求出光線從水射入空氣的臨界角，而這個臨界光路的可逆光路事實上函蓋了水面上所有可能入射到水中的光線，所以…解：水的臨界角C=arcsin=arcsin=48.8°當光線以90°的最大入射角射入水中時，折射角為C，故所有射入水中的光線的折射角均小于C，根據(jù)空間旋轉對稱，水面上所有的景物都落在頂角為2C=97.6°的錐面內。三小結本節(jié)課，我們學習了光的全反射現(xiàn)象及其規(guī)律。從物理的角度看，它是能量