新课改形势下的《全反射》教学设计

新课改形势下的《全反射》教学设计

内容：人教版普通高中课程标准实验教科书选修3-4第13章第7节。课题：全反射教学目标：(1)知识目标。知道什么是光疏介质，什么是光密介质；理解光的全反射概念。使学生在实验的基础上，通过比较，认识全反射现象，了解发生全反射的条件；理解临界角的概念，掌握临界角的计算；知道全反射棱镜和光导纤维的工作原理及其应用。(2)技能目标。培养学生的观察能力、分析推理能力以及运用所学知识解释实际现象的能力。(3)德育目标。通过演示和学生动手实验，提高学生学习的积极性和主动性，增强学生的实践能力和创新精神。教学重点：全反射现象和全反射现象产生的条件。教学难点：临界角的概念及计算。课前准备：学具。半圆柱透明玻璃砖，激光器，装有水的烧杯，一只空试管、蜡烛，火柴，细铁丝、镀铬的光亮铁球、弯曲的细玻璃棒（或光导纤维）、自行车尾灯、普通小手电筒。教学过程：一、创设情景、设疑引入夏天，在海面平静的日子，站在海滨极目远眺，有时可以看到远山、船舶、楼阁等各种景致出现在空中。2005年5月23日16∶50～19∶00时分，在“人间仙境”蓬莱海滨、蓬莱阁和八仙渡景区以东海域上空出现了极为罕见的“海市蜃楼”奇观。据悉，此次海市奇观是自1988年以来规模最大、持续时间最长、最为清晰的一次，上万名市民、游客有幸目睹这一奇观。这是当年中央电视台新闻30分节目播出的新闻。（视频内容可从网上下载）视频播放“海市蜃楼”自然奇观。远山、船舶、楼阁等各种景致真的出现在空中？要想揭开心中的疑团，请大家做下面的分组实验。板书：第7节全反射。二、实验探究1.学生分组实验（最好在暗室条件下）每人一块半圆柱透明玻璃砖，一个激光手电筒。实验Ⅰ：如下页图1所示让一束激光射至半圆形砖AB界面的O点，逆时针旋转玻璃砖，直至入射角i达到90°。完成实验后教师提问：实验中看到了什么现象？学生观察并描述现象：（学生有多种答案例举如下）可看到有2条红色光线，一条经过玻璃砖从玻璃砖圆形面射出，另一条从反射点直接反射到空气中。在玻璃砖中的那条从玻璃砖圆形面射出时，光线不改变方向。当玻璃砖转动时，反射光线、折射光线都转动，当反射光线与折射光线间的夹角变大时，折射光线偏折程度变大。当入射角增大时，反射光线变亮，折射光线逐渐变暗。当入射角为零度时，入射光线、反射光线、折射光线都在一条直线上。在转动玻璃砖的整个过程中，始终存在反射光线、入射光线和折射光线。通过学生的反馈师生共同得出：当入射角i增大时，折射角r也增大，折射光线强度逐渐减弱，当入射角增大到90°的过程中还同时存在反射回空气的光线和折射进入玻璃的光线。图1图2实验Ⅱ：如图2所示，让一束激光从半圆形砖的弧面沿半径射到AB界面上的O点，逆时针旋转玻璃砖，直至入射角i达到90°。实验结束后提问：与上面实验相比，这两次实验共同点是什么？学生容易得出：当入射角i增大时，折射角r也增大，折射光线强度逐渐变暗，反射光线却逐渐变亮。教师问：两次实验现象有什么明显不同？学生会很兴奋地找到答案：当入射角i增大到某一角度时，折射角r达到90°，折射到空气的光线就完全消失，反射光线最亮。入射角i继续增大到90°的过程中，也只有反射回玻璃中的光线。教师问：为什么都是同样的装置，不同的入射方向实验现象有着明显的不同？学生热烈讨论，并引起对空气和玻璃的研究。学生查找课本，空气的折射率是1.00028，水的折射率是1.33，玻璃的折射率是1.5～1.8，玻璃的折射率大于空气的折射率。2.建立光疏介质和光密介质概念板书：一、光疏介质和光密介质a.光疏介质：折射率小的介质（即传播光速度大的介质）叫光疏介质。b.光密介质：折射率大的介质（即传播光速度小的介质）叫光密介质。问：水是什么介质？（让学生们思考回答）水相对于空气来说是光密介质，相对玻璃来说是光疏介质。板书：光疏介质和光密介质是相对而言的。3.全反射现象提问：上面两个实验中有一个出现了全反射现象，请大家讨论一下，哪个实验中有全反射现象，什么是全反射现象？学生讨论后认为：实验2中有全反射现象。当入射角i增大到某一角度时，折射角r达到90°，折射入空气的光线完全消失，入射角i继续增大到90°的过程中，也只有反射回玻璃中的光线。这种现象叫做全反射现象。板书：二、全反射现象a.全反射：光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大到某一角度，光线全部被反射回原来光密介质的现象。4.全反射的条件提出问题：什么时候能发生全反射呢？学生讨论后认为：实验1没有发生全反射，说明光必须从光密介质射向光疏介质时才有可能发生全反射现象。虽然实验2中有全反射现象，但全反射现象只在入射角大于某一角度时才能发生。当入射角达到这一角度时，折射角达到90°，折射光线完全消失，只剩下反射光。板书：b.临界角：光从光密介质射向光疏介质时，折射角等于90°时的入射角，用C表示。c.产生全反射的条件：(1)光线从光密介质射向光疏介质(2)入射角大于或等于临界角不同的介质，由于折射率不同，在介质中发生全反射的临界角是不一样的。请大家推算在折射率为n的某种介质中发生全反射的临界角C。板书：d.临界角的计算由于临界角是折射角达到90°时的入射角，根据折射定律及光路的可逆性得。师生分析计算例题求解水的临界角。三、为了帮助学生加深对全反射现象的认识，了解全反射的应用，特别设计了如下课堂探究实验方案Ⅰ：实验器材为装有水的烧杯、1只空试管。实验过程：将一只空试管插入装有水的烧杯中，空试管在水中就形成一个大气泡，从烧杯的上方观察试管壁的亮度情况。学生从烧杯的上方可观察到试管壁上有特别明亮的光斑。因为光线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。方案Ⅱ：实验器材为光亮单摆铁球、蜡烛、细铁丝、火柴。实验过程：光亮单摆铁球在阳光下很刺眼，用细铁丝穿过单摆小金属球，使其一端伸出作为把手，然后捏住把手，将光亮铁球放在点燃蜡烛上熏黑（将试管夹和铁球置于烛焰上进行熏制，一定要全部熏黑，再让学生观察），然后将熏黑的铁球浸没在盛有清水的烧杯中，观察放在水中的铁球亮度情况。学生观察到：放在水中的铁球变得比在阳光下更亮。好奇的学生误认为是水泡掉了铁球上的黑色物质，当学生把铁球从水中取出时，发现熏黑的铁球依然如故，再将其放入水中时，出现的现象和前述一样，学生大惑不解。经过学生仔细观察和分析发现被蜡烛熏黑的铁球外表面附着一层未燃烧完全的碳蜡混合物，对水来说是不浸润的，当该球从空气进入水中时，在其外表面上会形成一层很薄的空气膜，当有光线透过水照射到水和空气界面上时，会发生全反射现象，而正对小球看过去会出现一些较暗的区域，这是入射角小于临界角的区域（明白了这个道理再来看这个实验，学生会有另一番感受）。方案Ⅲ：实验器材为弯曲的细玻璃棒、激光器。实验过程：让激光器发出的光射入一根弯曲的玻璃棒的一端，观察光传播的路径有什么特点。学生观察到：从细玻璃棒一端射进棒内的光线，在棒的内壁多次发生全反射，沿着锯齿形路线由棒的另一端传了出来，玻璃棒就像一个能传光的管子一样。教师补充：实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几μm到100μm左右，而且是由内芯和外套两层组成的，光线在内芯外套的界面上发生全反射，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，这样的纤维就可以传递图像。方案Ⅳ：实验器材是截面为等腰直角三角形的全反射棱镜、激光器。实验过程：第1次让光线从玻璃砖的直角面垂直射入，第2次让光线从玻璃砖的斜面垂直射入，观察光传播的路径有什么特点。学生观察到：射入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。教师说明：全反射棱镜与平面镜相比，它的反射率高，几乎可达100%；由于反射面不必涂敷任何反光物质所以反射时失真小。这种棱镜在光学仪器中用来改变光的方向，用得十分广泛。下面观察自行车的后尾灯。方案Ⅴ：实验器材为自行车的后尾灯、普通小手电筒。实验过程：先观察自行车尾，再用手电筒灯光来照射尾灯，观察尾灯的亮暗情况。学生观察到：尾灯里面有很多全反射棱镜，用灯光来照射尾灯时，尾灯很亮。与上面方案Ⅳ相比，光线是从玻璃砖的斜面垂直射入，在两直角面上发生两次全反射后被反射回来，所以观察到尾灯很亮。板书：全反射棱镜、光导纤维。四、归纳小结（略）五、作业有兴趣的学生亲手做一个如课本插图的装置，观察水流导光现象。本课设计思路：本节课通过播放2005年5月23日16∶50～19∶00时分，在“人间仙境”蓬莱海域上空出现的极为罕见的“海市蜃楼”奇观，引入课题，激起学生的极大学习兴趣后，再以实验为主线，通过两个探究性实验的对比，让学生观察、分析，揭示全反射的现象与产生条件，再增加学生探究性实验，通过学生间的讨论、设计、动手及合作，使学生对全反射概念的理解更加准确、丰富和全面。最后通过全反射的应用介绍，开拓学生的视野。教学评价：全反射是学生在学习光的反射定律和光的折射定律的基础上研究的一种重要的光学现象。让学生形成全反