2024-2025學(xué)年新教材高中物理第四章光2全反射教案1新人教版選擇性必修第一冊

PAGE1-全反射【學(xué)習(xí)目標】1．通過實例分析駕馭光的反射定律與光的折射定律．2．學(xué)會用光的折射、反射定律來處理有關(guān)問題．3．知道光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)、全反射、臨界角的概念．4．能判定是否發(fā)生全反射，并能分析解決有關(guān)問題．5．明確測定玻璃磚的折射率的原理．6．知道測定玻璃磚的折射率的操作步驟．學(xué)問回顧：光發(fā)生折射的條件？答：在兩種不同的介質(zhì)得界面上光路可逆嗎？答：可以假如由光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)始終增大入射角，會發(fā)生什么狀況？答：折射光消逝，只發(fā)生反射學(xué)問點一、全反射光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)：光在各種介質(zhì)中的傳播速度和介質(zhì)相對真空的折射率都是不相同的．兩種介質(zhì)相比較光在其中傳播速度大，而折射率小的介質(zhì)叫光疏介質(zhì)；光在其中傳播速度小，而折射率大的介質(zhì)叫光密介質(zhì)．對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解：（1）光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對而言的，并沒有肯定的意義．例如：水晶（）對玻璃（）是光密介質(zhì)，而對金剛石來說（），就是光疏介質(zhì)．同一種介質(zhì)究竟是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)，是不確定的．（2）光若從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角；反之，光由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)時，折射角小于入射角．（3）光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來說的，并不是它的密度大?。?，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介質(zhì)．（4）光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較．光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的比較表光的速度折射率光疏介質(zhì)大小光密介質(zhì)小大要點詮釋：光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是對確定的兩種介質(zhì)而言的．任何兩種透亮介質(zhì)都可以通過比較光在其中速度的大小或折射率的大小來判定誰是光疏介質(zhì)或光密介質(zhì)．全反射：（1）全反射現(xiàn)象：光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角．當入射角增人，反射光增加，折射光減弱，接著增大入射角，當折射角達到時，折射光全部消逝，入射光全部被反射回原介質(zhì)，當入射角再增大時．入射光仍被界面全部反射回原介質(zhì)，這種現(xiàn)象叫全反射．（2）對全反射的理解：①全反射是光的折射的特殊現(xiàn)象，全反射現(xiàn)象還可以從能量變更角度加以理解．當光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，在入射角漸漸增大的過程中，反射光的能量漸漸增加，折射光的能量漸漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量已經(jīng)減弱為零，發(fā)生了全反射．②發(fā)生全反射的條件：光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；入射角大于或等于臨界角．③全反射遵循的規(guī)律：光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時，仍舊遵守反射定律．有關(guān)計算仍依據(jù)反射定律進行．臨界角（1）臨界角的定義：折射角為時的入射角稱為全反射臨界角，簡稱臨界角，用表示．要點詮釋：①光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，只要入射角大于或等于臨界角，肯定會發(fā)生全反射現(xiàn)象．②一般狀況下，光由一種介質(zhì)到達另一種介質(zhì)時，光既有反射又有折射，即光的能量有一部分反射回原介質(zhì)中：而另，一部分則進入其他介質(zhì)中．發(fā)生全反射時，光的能量全部反射回原介質(zhì)中．（2）臨界角的表示式：由折射定律知，光由某介質(zhì)射向真空（或空氣）時，若剛好發(fā)生全反射，則．所以，即．應(yīng)用全反射解決實際問題的基本方法：（1）確定光是由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)還是由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)．（2）若光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，則依據(jù)確定臨界角，看是否發(fā)生全反射．（3）依據(jù)題設(shè)條件，畫出入射角等于臨界角的“臨界光路”．（4）運用幾何關(guān)系、三角函數(shù)關(guān)系、反射定律等進行推斷推理，運算及變換進行動態(tài)分析或定量計算．應(yīng)用全反射說明自然現(xiàn)象：（1）對“空中樓閣”的說明：由于光在空氣中的折射和全反射，會在空中出現(xiàn)“空中樓閣”．在海面安靜的日子，站在海濱，有時可以看到遠處的空中出現(xiàn)了高樓屹立、街道棋布、山巒重疊等景象．這種景象的出現(xiàn)是有緣由的．當大氣層比較安靜時，空氣的密度隨溫度的上升而減小，對光的折射率也隨之減小，海面上空的空氣溫度比空中低，空氣的折射率下層比上層大．我們可以粗略地把空中的大氣分成很多水平的空氣層，如圖所示，下層的折射率較大．遠處的景物發(fā)出的光線射向空中時，不斷被折射，射向折射率較低的上一層的入射角越來越大，當光線的入射角大到臨界角時，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象．光線就會從高空的空氣層中通過空氣的折射漸漸返回折射率較低的下一層．在地面旁邊的視察者就可以視察到由空中射來的光線形成的虛像．這就是空中樓閣的景象．如圖所示．（2）對沙漠上、柏油路上的蜃景的說明：在沙漠里也會看到蜃景，太陽照到沙地上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小，折射率也?。畯倪h處物體射向地面的光線，進入折射率小的熱空氣層時被折射，入射角漸漸增大，也可能發(fā)生全反射．人們逆著反射光線看去，就會看到遠處物體的倒景（如圖），仿佛是從水面反射出來的一樣．沙漠里的行人常被這種景象所迷惑，以為前方有水源而奔向前去，但總是可望而不行即．在燥熱夏天的柏油馬路上，有時也能看到上述現(xiàn)象．貼近熱路面旁邊的空氣層同熱沙面旁邊的空氣層一樣，比上層空氣的折射率?。畯倪h處物體射向路面的光線，也可能發(fā)生全反射，從遠處看去，路面顯得特別光明光滑，就像用水淋過一樣．（3）水或玻璃中的氣泡為何特殊光明？由圖可知，也是光線在氣泡的表面發(fā)生全反射的結(jié)果．光纖通信全反射現(xiàn)象在通信中有、重要的作用，光導(dǎo)纖維之所以能傳光、傳像，就是利用了光的全反射現(xiàn)象，光導(dǎo)纖維是一種透亮的玻璃纖維絲，直徑只有．如圖所示，它是由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率大于外套的折射率，光由一端進入，在兩層的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出．光導(dǎo)纖維可以遠距離傳播光，光信號又可以轉(zhuǎn)換成電信號，進而變?yōu)槁曇?、圖像．假如把很多（上萬根）此導(dǎo)纖維合成一束，并使兩端的纖維按嚴格相同的次序排列，就可以以傳輸圖像．例題3.一束光波以的入射角，從面射入如圖所示的透亮三棱鏡中，棱鏡折射率．試求進入面的折射角，并在圖中畫出該光束在棱鏡中的光路．【答案】見解析【解析】光在面上點射入，由折射定律，．所以，光線射到面上的點．由幾何學(xué)問得，且在面上的入射角為．在AE面上由折射定律：，所以．故光線在面發(fā)生全反射，并垂直面射出，其光路圖如圖所示．【總結(jié)升華】光路要依據(jù)折射定律邊計算邊畫．課堂練習(xí)一：如圖示是兩個同種玻璃制成的棱鏡,頂角略大于,兩束單色光和分別垂直射于三棱鏡后,出射光線與其次界面的夾角,則()A.光束的頻率比光束的小B.在棱鏡中光束的波長比光束的短C.在棱鏡中光束的傳播速度比光束的大D.把兩束光由水中射向空氣,產(chǎn)生全反射,光的臨界角比的臨界角大【答案】AD【解析】

∵

∴

∴頻率

∴

課堂練習(xí)二：如圖示，有一玻璃直角三棱鏡，其臨界角小于，一束平行于邊的白光射到面，在光束射在三棱鏡時，（設(shè)光線在三棱鏡內(nèi)射到邊上）（）A.從玻璃直角三棱鏡面，射出的是白色光束B.從玻璃直角三棱鏡面，射出的是白色光束C.從玻璃直角三棱鏡面，射出的是彩色的不平行光束D.從玻璃直角三棱鏡面，射出的是平行于入射線的彩色光束【答案】D【解析】畫出光路圖如圖示，光在面全放射。由于色散，經(jīng)面成平行光射出.課堂練習(xí)三：如圖，和都是厚度勻稱的平玻璃板，它們之間的夾角為，一細光束以入射角從點射入，，已知此光束由紅光和藍光組成，則當光束透過板后（）A．傳播方向相對于入射光方向向左偏轉(zhuǎn)角B．傳播方向相對于入射光方向向右偏轉(zhuǎn)角C．紅光在藍光的左邊D．紅光在藍光的右邊【答案】D例題4.酷熱的夏天，在平坦的柏油馬路上你會看到在肯定距離之外，地面顯得特別光明，仿佛是一片水面，好像還能看到遠處車、人的倒影．但當你靠近“水面”時，它也隨著你的靠近而后退．對此現(xiàn)象正確的說明是（）．A．出現(xiàn)的是“空中樓閣”，是由于光的折射造成的B．“水面”不存在，是由于酷熱難耐，人產(chǎn)生的幻覺C．太陽輻射到地面，使地表溫度上升，折射率大，發(fā)生全反射D．太陽輻射到地面，使地表溫度上升，折射率小，發(fā)生全反射【思路點撥】酷熱的夏天地面溫度高，地表旁邊空氣的密度小，空氣的折射率下小上大?！敬鸢浮緼、D【解析】酷熱的夏天地面溫度高，地表旁邊空氣的密度小，空氣的折射率下小上大，遠處車、人反射的太陽光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射．課堂練習(xí)一：半徑為的半圓柱形玻璃，橫截面如圖所示，為圓心，已知玻璃的折射率為，當光由玻璃射向空氣時，發(fā)生全反射的臨界角為．一束與平面成角的平行光束射到玻璃的半圓柱面上，經(jīng)玻璃折射后，有部分光能從平面上射出，求能從平面上射出的光束的寬度為多少？【答案】見解析【解析】如圖所示：進入玻璃中的光線①垂直于半球面，沿半徑方向直達球心位置，且入射角等于臨界角，恰好在點發(fā)生全反射．光線①左側(cè)的光線（如光線②）經(jīng)球面折射后，射在上的入射角肯定大于臨界角，在上發(fā)生全反射，不能射出．光線①右側(cè)的光線經(jīng)半球面折射后，射到面上的入射角均小于臨界角，能從面上射出．最右邊射向半球面的光線③與球面相切，入射角，由折射定律知，則．故光線③將垂直于射出．所以在面上射出的光束寬度應(yīng)是．【總結(jié)升華】從本題中看到解決全反射問題的關(guān)鍵：①精確嫻熟地作好光路圖；②抓住特殊光線的分析，求光線照耀的范圍時，關(guān)鍵是如何找出邊界光線．假如發(fā)生全反射，剛能發(fā)生全反射時的臨界光線就是一條邊界光線，而另一條光線要由分析得出．課堂練習(xí)二：由于激光是亮度高、平行度好、單色性好的相干光，所以光導(dǎo)纖維中用激光作為信息高速傳輸?shù)妮d體．要使射到粗細勻稱的圓形光導(dǎo)纖維一個端面上的激光束都能從另一個端面射出，而不會從側(cè)壁“泄漏”出來，光導(dǎo)纖維所用材料的折射率至少應(yīng)為多大？【思路點撥】依據(jù)題意畫出正確的光路圖，這是解決反射和折射綜合題時的關(guān)鍵，留意“要保證不會有光線從側(cè)壁射出來”是“不管入射角多大都能在側(cè)壁發(fā)生全反射”的意思。再利用幾何關(guān)系確定光路中的邊、角關(guān)系，利用反射、折射定律求解?！敬鸢浮恳娊馕觥窘馕觥恳ＷC不會有光線從側(cè)壁射出來，其含義是不管入射角多大都能在側(cè)壁發(fā)生全反射．令入射角等于，再由折射定律和全反射臨界角公式、幾何關(guān)系就可以求出材料的折射率．設(shè)激光束在光導(dǎo)纖維端面的入射角為，折射角為，折射光線射向側(cè)面時的入射角為，如圖所示：由折射定律：，由幾何關(guān)系：，．由全反射臨界角的公式：，得，要保證從端面射入的任何光線都能發(fā)生全反射，應(yīng)有，，故．解得，光導(dǎo)纖維的折射率應(yīng)滿意，．【總結(jié)升華】本題在解答中一般存在的問題有：一是不會對光線變更過程進行分析，當入射角從零漸漸增大的過程中，折射角也增大，折射光線入射到側(cè)壁的入射角是減小的．假如當增大到，仍有大于等于臨界角，題目要求就能滿意，其臨界條件是，．找不出這個條件，就無法入手解答．二是僅從全反射的條件動身，由，干脆得出，不知道此時是未知量．課堂練習(xí)三：如圖所示，兩點之間的距離為米，在兩點連接始終光導(dǎo)纖維，使一光脈沖信號從光導(dǎo)纖維中間射入，（射入后在光導(dǎo)纖維與空氣的界面上恰好發(fā)生全反射現(xiàn)象）由點傳輸出點，所用時間為秒，求光導(dǎo)纖維所用材料的折射率。【答案】【解析】光信號由點進入光導(dǎo)纖維后，沿方向射到點，此時入射角恰好等于臨界角，光在此介質(zhì)中的傳播速度為，而沿水平方向的分速度為，沿水平方向傳播的距離為。設(shè)介質(zhì)的折射率為，則有①②③由①②③式解得,所以．學(xué)問點三、測定玻璃磚的折射率試驗?zāi)康模海?）明確光通過玻璃時的入射角、折射角．（2）駕馭測定玻璃折射率的方法．試驗原理：如圖所示為兩面平行的玻璃磚．入射角為和折射角為，據(jù)計算出玻璃的折射率．試驗器材：白紙，圖釘，大頭針，直尺，鉛筆，量角器，平木板，長方形玻璃磚．試驗步驟及調(diào)整安裝：（1）把白紙用圖釘釘在木板上．（2）如圖所示，在白紙上畫一條直線作為界面，畫一條線段作為入射光線，并通過點畫出界面的法線．（3）把長方形的玻璃磚放在白紙上，使它的一個長邊跟對齊，并畫出玻璃磚的另一個長邊．（4）在線段上豎直的插上兩枚大頭針．（5）在玻璃磚的一側(cè)豎直地插上大頭針，調(diào)整眼睛視線，使能同時攔住和的像，使能攔住本身和和的像．（6）登記的位置，移去玻璃磚和大頭針，過引直線與交于，連接，就是玻璃磚內(nèi)的折射光線的路徑，入射角，折射角．（7）用量角器量出入射角和折射角的度數(shù)．（8）從三角函數(shù)表中查出入射角和折射角的正弦值，記入自己設(shè)計的表格里．（9）用上面的方法分別求出入射角為和時的折射角．查出入射角和折射角的正弦值，把這些數(shù)據(jù)也記在表格里．（10）算出不同入射角時的值．比較一下，看它們是否接近一個常數(shù)，求出幾次試驗中測的的平均值，就是玻璃的折射率．留意事項（1）用手拿玻璃磚時，手只能接觸玻璃磚的毛面或棱，不能觸摸光滑的光學(xué)面，嚴禁把玻璃磚當尺子畫玻璃磚的另一邊．（2）試驗過程中，玻璃磚在紙上的位置不行移動．（3）大頭針應(yīng)豎直地插在白紙上，且玻璃磚每一側(cè)兩枚大頭針與、與間的距離應(yīng)大一些，以削減確定光路方向時造成的誤差．（4）試驗時入射角不宜過小，否則會使測量誤差大，也不宜過大，否則在一側(cè)看不到的像．（5）由于要多次變更入射角重復(fù)試驗，所以人射線與出射線要一一對應(yīng)編號，以免混亂．（6）玻璃磚應(yīng)選用寬度較大的，宜在以上．若寬度太小，則測量誤差較大．數(shù)據(jù)處理及誤差分析：此試驗是通過測量入射角和折射角，然后查數(shù)學(xué)用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入中求玻璃的折射率．除運用此方法之外，還有以下處理數(shù)據(jù)的方法．（1）處理方法一：在找到入射光線和折射光線以后，以入射點為圓心，以隨意長為半徑畫圓，分別與交于點，與（或的延長線）交于點，過兩點分別向作垂線，交于，用直尺量出和的長．如圖所示．由于，，而，所以折射率：．重復(fù)以上試驗，求得各次折射率計算值，然后求其平均值即為玻璃磚折射率的測量值．（2）處理方式二：依據(jù)折射定律可得．因此有．要點詮釋：在多次變更入射角、測量相對應(yīng)的入射角和折射角上，以值為橫坐標、以值為縱坐標，建立直角坐標系，如圖所示．描數(shù)據(jù)點，過數(shù)據(jù)點連線得一條過原點的直線．求解圖線斜率，設(shè)斜率為，則，故玻璃磚折射率．例題5.在利用插針法測定玻璃磚折射率的試驗中：（1）甲同學(xué)在紙上正確畫出