3第3节全反射

高二物理教案西北师大附中白景曦1第三节全反射白景曦（西北师范大学第一附属中学甘肃兰州730070）摘要两种介质比较，折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质。光从光密介质射入光疏介质中时，入射角小于折射角，入射角增大，折射角增大，反射光线逐渐变强，折射光线逐渐变弱，当入射角增大到临界角时，折射角达到90°，折射光线消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。发生全反射的条件是：（1）光从光密介质入射到光疏介质中；（2）入射角大于等于临界角。光从光密介质入射到光疏介质中时，折射角达到90°时，对应的入射角叫做临界角，临界角这样计算：Cnsin90sin，nC1sin，nC1arcsin。关键词：光密介质光疏介质全反射临界角发生全反射的条件引言复习提问：1.折射定律的内容是什么？2.折射率是如何定义的？海市蜃楼大家都听说过吧！见过吗？没有。下面请大家看一段视频：海面上的海市蜃楼。大家知道，在什么地方还容易发生海市蜃楼呢？沙漠中，见过吗？没有，请大家看一段图像新闻：沙漠中的海市蜃楼。看完这段视频和这则新闻后，大家有什么疑问吗？提出问题：形成海市蜃楼现象的原因是什么？为什么在海面和沙漠中容易出现海市高二物理教案西北师大附中白景曦2蜃楼现象呢？本节课我们就来研究这两个问题，第三节：全反射。新课教学：演示实验：光由玻璃砖入射到空气中，发生全反射。仪器：激光笔、光学演示仪观察：（1）射到玻璃砖上的光线，它的反射光线、折射光线在什么位置？哪一个是入射角？哪一个是反射角？（2）当入射角增大时，折射角如何变化？折射光线的强弱如何变化？现象：光由玻璃砖入射到空气中，入射角小于折射角，入射角逐渐增大，折射角逐渐增大，折射光线逐渐变弱，反射光线逐渐变强，当入射角增大到某一角度时，折射角达到90°，折射光线完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。过渡：如何定义全反射现象呢？直接用这个现象来定义全反射现象，可以吗？不行。这只是光从玻璃砖入射到空气中发生的全反射现象。玻璃砖与空气比较折射率不同，玻璃的折射率大，空气的折射率小，为了建立全反射现象的概念我们需要引入光密介质和光疏介质的概念。玻璃砖和空气比较，玻璃砖就是光密介质，空气就是光疏介质。一、光密介质和光疏介质1.概念：两种介质比较，折射率大的介质是光密介质，折射率较小的介质是光疏介质。观察下表中给出的8中不同的介质，请大家思考，哪一种是光疏介质？哪一种是光密介质？你判断光疏介质与光密介质的依据是什么？8中不同介质的折射率高二物理教案西北师大附中白景曦3金刚石2.42二硫化碳1.63玻璃1.5～1.9水晶1.55岩盐1.55酒精1.36水1.33空气1.000282.理解（1）光密介质与光疏介质是相对而言的；（2）判断光密介质与光疏介质的依据是介质的折射率与其他因素无关；设问：我们知道介质的折射率反映了光在介质中运动速度的快慢，请问大家光在光密介质中运动的快，还是在光疏介质中运动的快？vcn，n小，v大；n大，v小。（3）折射率的大小反映了光在介质中传播的速度大小。折射率大的介质就是光在其中传播速度小的介质，折射率小的介质就是光在其中传播速度大的介质。设问：有了光密介质和光疏介质的概念，我们如何定义全反射呢？二、全反射1.概念：当光从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角，当入射角增大到某一角度时，折射角等于90°，此时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。设问：光从光密介质中入射到光疏介质中就能发生全反射现象吗？不能，入射角还必须大于或等于临界角。临界角是什么呢？2.临界角：光从光密介质中入射到光疏介质中，折射角等于90°时的入射角叫做临界角，常用字母C来表示。高二物理教案西北师大附中白景曦4提出问题：已知某种介质的折射率n，求光由这种介质入射到空气或真空中时的临界角是多少？分析：Cnsin90sin，nC1sin，nC1arcsin3.临界角的计算方法：光从介质中入射到空气或真空中时，临界角nC1arcsin。设问：发生全反射的条件是什么呢？4.发生全反射的条件：（1）光从光密介质入射到光疏介质；（2）入射角大于等于临界角。过渡：我们已经把全反射现象研究清楚了，请问大家：学习物理的目的是什么？追求真理，为人类造福。我们追求到真理了吗？三、应用1.海市蜃楼（1）海面上发生海市蜃楼的原因夏天，在气压恒定的海面上，空气密度随高度增加而减小，对光的折射率也随之减小，从而形成一具有折射率梯度的空气层。当光线通过此空气层时，将发生偏转。如图所示，设一束从远处景物发出的光线以入射角i由折射率为n处射入空气层。由折射定律有：nsini=n1sinr1……(1)n1sinr1=n2sinr2…….(2)联立（1）、（2）式可得：随高度递减空气密度CB高二物理教案西北师大附中白景曦5nsini=n2sinr2依此类推：nsini=ncsinC，sinC=cnnsini。可见，当n、i一定时，从下层空气进入上层空气的入射角不断增大，当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时，就会全反射。人在C处逆着光线看，可看到经全反射形成的倒立的虚像（发生全反射处的空气层就好象一面平面镜）；在B处逆着光线看，也可看到经折射形成的正立虚像。总之。若人在较高处，看到的蜃景是由折射形成的正立虚像；若人在较低处，看到的蜃景是由折射和全反射形成的倒立虚像。（2）沙漠中发生海市蜃楼的原因夏天，气压恒定的沙漠中，太阳着在沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小。从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时，入射角逐渐增大，也可能发生全反射，从而形成蜃景。在炎热夏天的柏油马路上，也有类似这样的蜃景出现，从远处看，路面显得格外明亮光滑，就象用水淋过一样。2.光导纤维——光纤通讯一种利用光的全反射原理制成的能传导光的玻璃丝，由内芯和外套组成，直径只有几空气密度随高度降低而递减高二物理教案西北师大附中白景曦6微米到100微米左右，内芯的折射率大于外套的折射率，当光线射到光导纤维的端面上时，光线就折射进入光导纤维内，经内芯与外套的界面发生多次全反射后从光导纤维的另一端面射出，而不从外套散逸，故光能损耗极小。如果把光导纤维聚集成束使其两端纤维排列的相对位置相同，这样的纤维束就可以传送图像，如图1所示。利用光导纤维可以弯曲传光、传像，可制作各种潜望镜，医用内窥镜等。练习1：如图2所示，一透明塑料棒的折射率为n，光线由棒的一端面射入，试讨论当入射角I满足什么条件时，光将全部从另一端面射出。解析：当入射角为i时，光在棒的内侧面恰好发生全反射。由图可知，光在左端面折射时的折射角Cr2.由折射定律得：Cirincossinsinsin。故有：CnCni2sin1cossin，11sin212nnin。所以只要1arcsin2ni，光将全部从右端面射出。练习2：如图3所示，一个横截面为矩形、折射率为n=1.5的玻璃条被弯成半圆形，一束平行光由A端面射入。试证明：若矩形边长为d，则只要曲率半径R≥2d，光均能从B端射出。证明：由图可知，只要a光线能发生全反射，则所有从A端入射的光均能发生全反射：sini=dRRsinC=n1=5.11解得：R2d。可见，光纤通迅中，只要光导纤维弯曲满足R1nd，则光导纤维可以足够细，楞弯成半圆及圆。irC图2ABORidabc图3图1高二物理教案西北师大附中白景曦7结论本节课收获如下：1.知识：（1）全反射；（2）发生全反射的条件；（3）全反射现象的应用。2.方法：实验归纳法作业：感悟：学习物理的目的，追求真理，为人类造福！参考文献：[1]人民教育出版社物理室编著．物理第二册教师教学用书．北京：人民教育出版社，2003.[2]人民教育出版社物理室编著．物理第二册（必修加选修）．北京：人民教育出版社，2006.[3]人民教育出版社．延边教育出版社编著．物理第二册（必修加选修）教案．吉林：延边教育出版社，2008.[4]马兰刚著．物理第二册（必修加选修）教案．甘肃：未来教育出版社，待版．[5]杜鸿宝著．高二物理教案．甘肃：未来教育出版社，（等待出版）．