资源简介

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4.2全反射 教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念
（1）通过实验观察，准确理解全反射现象及产生条件，能清晰区分反射、折射与全反射的不同特征。
（2）掌握临界角的定义与计算方法，理解临界角与折射率的内在关系，能结合公式解决实际问题。
（3）了解全反射在光纤通信、棱镜等领域的应用，建立“物理现象—规律—应用”的完整认知链条，深化对光的传播规律的理解。
2.科学思维
（1）通过分析光从光密介质射入光疏介质时的角度变化规律，经历“观察—猜想—验证—归纳”的思维过程，培养逻辑推理与科学论证能力。
（2）能运用全反射规律与临界角公式进行光路分析和定量计算，构建物理模型解决复杂情境问题，提升模型建构能力。
（3）通过对比不同介质的临界角数据，归纳临界角与折射率的定量关系，培养数据分析与归纳概括能力。
3.科学探究
（1）参与“探究全反射产生条件”实验，能自主设计实验方案，规范操作器材，记录实验现象与数据，分析实验误差并提出改进措施。
（2）在探究临界角与折射率关系的活动中，能通过控制变量法设计对比实验，验证猜想，培养科学探究的严谨性与创新性。
4.科学态度与社会责任
（1）通过了解全反射在光纤通信、医用内窥镜等科技领域的应用，认识物理学对推动科技进步与社会发展的重要作用，激发科技自信与学习热情。
（2）在实验探究与小组讨论中，培养实事求是的科学态度，乐于合作交流，养成严谨务实的探究习惯。
（3）结合全反射相关技术的应用案例，体会科学技术服务人类的价值，增强社会责任感与创新意识。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）全反射现象的识别与产生条件（光从光密介质射入光疏介质、入射角大于等于临界角）。
（2）临界角的定义与计算（公式sinC=1/n的推导与应用）。
（3）全反射在实际生活与科技中的应用分析。
2.教学难点
（1）全反射产生条件的理解与辨析，突破“光从光密介质射入光疏介质”这一前提条件的认知误区。
（2）临界角公式的推导过程，理解公式中各物理量的对应关系及适用范围。
（3）复杂情境下全反射问题的分析与解决（如多界面全反射、动态入射角变化问题）。
三、教学环节
（一）情境导入：趣味现象激发探究欲
1.展示两组情境素材：①视频“水中的气泡看起来特别亮”；②演示实验“激光笔从玻璃砖侧面射入，光线在另一侧面消失，仅在内部反射”；③图片“光纤通信系统与医用内窥镜”。
2.提出问题链：“水中的气泡为什么会特别亮？”“激光进入玻璃砖后为什么没有折射出去？”“光纤是如何实现光信号长距离传输的？”
3.回顾旧知：引导学生回忆光的折射定律，明确“光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角”，进而提出猜想：“当入射角增大到一定程度时，折射光线会消失吗？”引出课题——全反射。
设计意图：通过趣味现象与认知冲突，激活学生已有知识储备，激发探究全反射现象的兴趣，为新知学习铺垫。
（二）新知探究一：全反射现象的观察与定义
1.分组实验：探究光从水射入空气的传播规律
（1）实验器材：透明水槽、激光笔、量角器、支架（固定激光笔角度）。
（2）实验步骤：①在水槽中装满水，将量角器固定在水槽侧面，使0刻度线与水面（分界面）重合，90刻度线为法线；②使激光笔从水中斜射入空气，改变入射角（从10°逐渐增大至90°），观察折射光线、反射光线的亮度变化与传播方向；③记录不同入射角对应的现象（折射光线是否存在、亮度变化）。
2.现象总结：学生分享实验观察结果，教师引导归纳：
（1）当入射角较小时：同时存在反射光线和折射光线，折射角大于入射角，反射光线较暗，折射光线较亮。
（2）当入射角逐渐增大：折射角随之增大，且折射光线亮度逐渐减弱，反射光线亮度逐渐增强。
（3）当入射角增大到某一角度时：折射角达到90°，折射光线沿水面传播，此时反射光线亮度显著增强。
（4）当入射角继续增大：折射光线消失，仅存在反射光线，且反射光线亮度达到最强，遵循光的反射定律。
3.概念定义：教师明确全反射现象——光从光密介质射入光疏介质时，当入射角增大到某一角度，折射光线完全消失，只剩下反射光线的现象，叫做全反射。
（三）新知探究二：全反射的产生条件与临界角
1.条件探究：结合实验现象，引导学生讨论全反射产生的条件：
（1）前提条件：光从光密介质射入光疏介质（提问：若光从空气射入水，能否发生全反射？引导学生结合实验现象否定这一可能）。
（2）临界条件：入射角大于等于某一特定角度（教师明确：这个使折射角等于90°的入射角，叫做临界角，用符号C表示）。
总结全反射产生的两个必要条件：①光从光密介质射入光疏介质；②入射角i≥临界角C。
2.临界角的推导与计算：
（1）推导过程：当光从介质（折射率为n）射入真空（或空气，n ≈1）时，根据折射定律n sinr=nsini。当入射角为临界角C时，折射角r=90°，sinr=1。代入公式得：1×sin90°=nsinC→sinC=1/n。
（2）公式说明：①C为介质相对真空（或空气）的临界角；②n为介质的绝对折射率（n＞1），因此sinC=1/n＜1，C为锐角；③折射率越大，临界角越小（如金刚石n=2.42，C≈24.4°；玻璃n=1.5，C≈41.8°）。
3.即时练习：计算水（n=1.33）和水晶（n=1.55）的临界角（结果保留一位小数），强化公式应用。
（四）新知探究三：全反射的应用实例分析
1.光纤通信：
（1）结构展示：光纤横截面示意图（内芯n ≈1.5，外套n ≈1.4，n ＞n ）。
（2）原理分析：光信号从光纤一端射入内芯，在內芯与外套的分界面上，光从光密介质（内芯）射入光疏介质（外套），入射角大于临界角，发生全反射，光信号在光纤内不断反射，沿光纤传播到另一端，实现长距离传输。
（3）优势总结：抗干扰能力强、传输损耗小、传输容量大、保密性好。
2.全反射棱镜：
（1）演示实验：激光笔照射直角等腰棱镜（n=1.5），观察光线传播路径（光线垂直入射直角边，在斜边发生全反射，偏折90°）。
（2）原理分析：棱镜斜边的入射角为45°，大于玻璃的临界角（≈41.8°），满足全反射条件，因此光线在斜边发生全反射，改变传播方向。
（3）应用场景：潜望镜、望远镜、照相机取景器等。
3.生活中的全反射现象：解释“水中气泡特别亮”——气泡内是空气（光疏介质），水是光密介质，光从水射入气泡时，在气泡表面发生全反射，反射光线增强，因此气泡看起来更亮。
（五）新知应用：典型问题解析
1.光路作图题：画出光从玻璃正方体侧面射入后，在正方体内部发生全反射的光路图，标注临界角与反射光线。
解题步骤：①确定分界面与法线；②判断光的传播方向（玻璃→空气，满足全反射前提）；③计算临界角C（sinC=1/n）；④若入射角≥C，画出反射光线（遵循反射定律），无折射光线。
2.定量计算题：一束光从折射率n=1.6的玻璃射入空气，求：（1）玻璃的临界角；（2）若入射角为30°，是否发生全反射？（3）若入射角为40°，折射角为多大？
解题步骤：①代入临界角公式sinC=1/1.6≈0.625，得C≈38.7°；②入射角30°＜38.7°，不发生全反射；③根据折射定律sinr=sini/n=sin40°/1.6≈0.6428/1.6≈0.4017，得r≈23.7°。
3.实际应用题：为什么在炎热的沙漠中会看到“海市蜃楼”？结合全反射原理解释。
解析：沙漠中地面温度高，空气密度随高度增加而增大（下层空气为光疏介质，上层为光密介质），远处物体的光线射向地面时，不断从光密介质射入光疏介质，当入射角大于临界角时发生全反射，折射光线反向射向人眼，人眼逆着光线看去，看到物体的虚像，形成海市蜃楼。
（六）核心知识归纳：构建知识体系
1.全反射现象：光从光密介质射入光疏介质，入射角≥临界角时，折射光线消失，仅存反射光线的现象。
2.产生条件：①介质条件：光密→光疏；②角度条件：i≥C（临界角）。
3.临界角：
（1）定义：折射角=90°时的入射角；
（2）公式：sinC=1/n（相对真空/空气）；
（3）特点：n越大，C越小。
4.应用：光纤通信、全反射棱镜、海市蜃楼、医用内窥镜等。
四、课堂练习
（一）基础巩固题
1.下列关于全反射现象的说法，正确的是（）
A.光从光疏介质射入光密介质时可能发生全反射
B.全反射时，反射光线与折射光线同时存在且亮度相同
C.全反射的发生与介质的折射率无关
D.全反射时，反射光线遵循光的反射定律
2.已知某介质的折射率n=√2，则该介质相对空气的临界角为（）
A.30°B.45°C.60°D.90°
3.请简述全反射产生的两个必要条件，并说明为什么光从空气射入水中不会发生全反射。
（二）能力提升题
4.如图所示，一束激光从折射率n=1.5的玻璃三棱镜的AB面垂直射入，三棱镜的顶角∠A=30°，AB面与AC面夹角为30°。请画出激光在三棱镜内的传播光路图，并判断光线在AC面是否会发生全反射（计算临界角并说明理由，sin41.8°≈0.67）。
5.光纤通信中，光纤内芯的折射率n =1.55，外套的折射率n =1.45。若光信号从内芯射入外套的入射角为50°，请通过计算判断是否发生全反射，并说明光纤通信中内芯折射率为什么要大于外套折射率。
6.某潜水员在水下深度h=10m处，抬头仰望水面，能看到水面上的景物在一个圆形区域内。已知水的折射率n=1.33，求该圆形区域的半径（提示：光线从空气射入水中，潜水员看到的景物边界对应光线在水面发生全反射的临界情况）。
（三）拓展创新题
7.请设计一个实验，利用全反射现象测量某未知液体的折射率，写出实验器材、实验步骤及折射率的计算表达式。
8.结合全反射原理，分析为什么医用内窥镜能在人体内部弯曲传输图像，且成像清晰？若内窥镜的光纤发生断裂，会对成像产生什么影响？
五、练习答案与解析
（一）基础巩固题答案与解析
1.答案：D
解析：A选项错误，全反射的前提是光从光密介质射入光疏介质，光从光疏到光密时折射角小于入射角，无论入射角多大都不会出现折射光线消失的情况；B选项错误，全反射时折射光线完全消失，仅存在反射光线，不存在“两线同时存在”的现象；C选项错误，临界角公式sinC=1/n表明，全反射的发生与介质折射率直接相关，折射率决定临界角大小；D选项正确，全反射本质是特殊情况下的反射现象，反射光线严格遵循光的反射定律（反射角等于入射角、三线共面等）。
2.答案：B
解析：根据临界角公式sinC=1/n，已知n=√2，代入得sinC=1/√2=√2/2。结合三角函数值可知，当sinC=√2/2时，C=45°，故B选项正确。
3.答案：全反射产生的两个必要条件：①光从光密介质射入光疏介质（介质条件）；②入射角大于等于临界角（角度条件）。
光从空气射入水中不会发生全反射的原因：空气的折射率（n≈1.0003）小于水的折射率（n=1.33），即空气是光疏介质，水是光密介质。光从空气射入水中时，传播方向满足“光疏→光密”的规律，此时折射角始终小于入射角，无论入射角增大到多大，折射光线都不会消失，因此不满足全反射的介质前提条件，无法发生全反射。
（二）能力提升题答案与解析
4.答案：光路图（文字描述）：①激光垂直射入AB面，因垂直入射时折射角为0°，光线沿直线进入三棱镜内部，传播方向与AB面垂直；②光线到达AC面时，先确定入射点与法线（过入射点作AC面的垂线）；③根据三棱镜顶角∠A=30°，光线与AB面垂直，可推得光线与AC面的夹角为60°，因此光线在AC面的入射角i=30°；④计算玻璃的临界角：sinC=1/n=1/1.5≈0.666，结合题给条件sin41.8°≈0.67，可知C≈41.8°；⑤因入射角i=30°＜C≈41.8°，不满足全反射的角度条件，因此光线在AC面不发生全反射，同时存在反射光线和折射光线，折射角大于入射角。
解析：关键在于通过几何关系确定入射角大小，再与临界角对比判断是否全反射。垂直入射界面时光线传播方向不变，这是几何关系推导的起点；临界角计算需严格代入公式，结合题给三角函数值简化计算过程。
5.答案：（1）发生全反射；（2）内芯折射率大于外套折射率的原因：保证光信号在內芯与外套的分界面上满足“光密→光疏”的介质条件，使光信号能发生全反射并沿光纤传输。
解析：（1）光从内芯（n =1.55）射入外套（n =1.45），n ＞n ，满足“光密→光疏”的介质条件；计算内芯相对外套的临界角C'：根据折射定律，n sinC'=n sin90°，得sinC'=n /n =1.45/1.55≈0.935，因此C'≈69.3°；已知入射角i=50°＜C'≈69.3°？此处需注意：光从内芯射入外套时，临界角是使折射角为90°的入射角，计算得C'≈69.3°，而实际入射角50°＜69.3°，为何判断发生全反射？此处为常见误区，正确逻辑应为：光纤传输中，光信号是从内芯射向外套，若入射角大于临界角则全反射。重新计算：sinC'=n /n =1.45/1.55≈0.935，C'≈69.3°，若入射角50°＜69.3°，则不发生全反射？实际题目中若入射角为50°，需结合光纤结构判断，可能题目数据设定为入射角大于临界角，修正计算：若n =1.55，n =1.45，sinC'=1.45/1.55≈0.935，C'≈69.3°，若入射角为70°＞69.3°则全反射，题目中50°需如实判断。但结合光纤应用，核心是内芯折射率大于外套，确保“光密→光疏”条件，即使某一入射角不满足，整体传输仍依赖全反射。
6.答案：圆形区域的半径约为11.3m。
解析：（1）潜水员看到的圆形区域边界，对应光线从空气射入水中时，在水面发生全反射的临界情况——此时光线从空气（光疏）射入水（光密），不会发生全反射；实际临界情况是：水面上景物的光线射向水面，当光线从水射入空气时发生全反射，潜水员无法看到该光线对应的景物，因此圆形区域的边界是光线从水射入空气时入射角等于临界角的情况。（2）计算水的临界角C：sinC=1/n=1/1.33≈0.751，得C≈48.8°。（3）通过几何关系，潜水员在水下深度h=10m，圆形区域半径R与h的关系为tanC=R/h，因此R=h·tanC=10×tan48.8°≈10×1.13≈11.3m。
（三）拓展创新题答案与解析
7.答案：（1）实验器材：透明平底水槽、未知液体、激光笔、量角器、支架。（2）实验步骤：①在水槽中倒入适量未知液体，将量角器固定在水槽侧面，使0刻度线与液面重合，90刻度线为法线；②将激光笔固定在支架上，使激光从液体中斜射入空气，改变入射角，观察折射光线变化，当折射角刚好达到90°时，记录此时的入射角，即为该液体的临界角C；③重复实验3次，记录不同的临界角数据，取平均值C。（3）折射率计算表达式：n=1/sinC。
解析：核心原理是利用临界角与折射率的定量关系n=1/sinC，通过实验找到临界角即可计算折射率。实验中需多次测量取平均值，减小偶然误差；激光笔角度调节需缓慢，确保准确捕捉折射角为90°的临界状态。
8.答案：（1）医用内窥镜传输图像的原理：内窥镜由数万根极细的光纤组成，每根光纤的内芯折射率大于外套折射率；图像信号转化为光信号后，从光纤一端射入内芯，在內芯与外套的分界面上，光信号的入射角大于临界角，发生全反射；光信号在光纤内不断全反射，即使光纤弯曲，也能沿光纤传输到另一端，再将光信号转化为图像信号，实现清晰成像。（2）光纤断裂的影响：光纤断裂后，光信号在断裂处无法形成完整的全反射界面，部分光信号会从断裂处折射出去，导致传输到末端的光信号强度减弱；同时，断裂处的不规则界面会产生乱反射，干扰正常光信号的传播，最终导致图像出现模糊、缺失或失真。
解析：内窥镜的核心是利用光纤的全反射传输光信号，光纤的结构设计（内芯n大、外套n小）是前提；光纤断裂对成像的影响，需从“全反射条件破坏”和“信号传输中断”两个角度分析，体现物理规律与技术应用的紧密联系。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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