全反射应用（教案）-高教版第三版《物理（通用类）》【上好课】

高教版第三版《物理（通用类）》 主题六 光现象及其应用 第二节 光的全反射现象的应用 授课班级 授课类型 新授课 授课教师 教学时长 1课时（45分钟） 教材分析 本课承接上一课时建立的全反射条件、临界角和光路分析方法，先研究等腰直角三棱镜如何用一次或两次全反射改变光路，再分析光纤的纤芯、包层和涂覆层结构，最后联系光纤通信、医学内窥镜、角反射器和我国信息高速公路等应用。 学情分析 学生已学习反射、折射和全反射，能够判断光由光密介质射向光疏介质时的传播变化，但容易把器件应用记成名称，忽略结构、光路和功能之间的对应关系。教学需借助棱镜光路图、弯曲玻璃棒观察和光纤结构示意，引导学生按“结构—全反射—功能”解释应用。 教学目标 1.能画出全反射棱镜改变光路的基本过程，说明角反射器的回光特点。 2.能根据纤芯、包层和涂覆层结构解释光纤传光，分析过度弯折造成的漏光问题。 3.能用全反射原理说明光纤通信、医学内窥镜和交通反光装置的作用，关注我国光纤通信建设并形成保护通信设施的责任意识。 教学重难点 重点：全反射棱镜的光路、光纤的结构与传光原理及其典型应用。 难点：把棱镜或光纤的几何结构、界面处的全反射和最终功能连成完整的物理解释，区分通信、照明、成像和安全警示中的光路任务。 教学方法 教材情境导入、棱镜光路分析、角反射器应用、光纤结构观察、弯曲漏光故障诊断、通信与医疗案例、技术中国资料和合作评价。 课前准备 教师准备：教材、演示课件。 学生准备：教材、笔记本。 教学环节设计 教学环节 教学内容 设计意图 教学导入 【教材情境】儿童玩具“满天星”由一个发光系统和几百根塑料丝组成。接通开关后，不同色彩的光会从塑料丝末端射出，形成许多明亮的发光点。 【问题】弯曲的塑料丝为什么能把光从一端传到另一端？全反射还能怎样改变光路、传递信息和帮助医生观察人体内部？ 学生回顾全反射的两个条件，观察塑料丝传光现象，尝试从介质结构、光的传播路径和能量损失三个角度作出解释。 【教师归纳】本课从“满天星”传光进入全反射棱镜和光纤，分析光路改变、光纤结构及其在通信、医疗、交通和生活中的应用。 以“满天星”传光现象引发问题，唤醒全反射条件，明确本课要从器件结构和光路解释技术应用。 新知讲授 一、全反射棱镜与角反射器 【教材定义】能够发生全反射的棱镜称为全反射棱镜。最常见的全反射棱镜是横截面为等腰直角三角形的三棱镜。 【教材原理】光垂直射入一个直角边后，在斜面上的入射角为45°，大于玻璃射向空气的临界角，发生一次全反射可使光路转过90°；光垂直射入斜面后，连续两次全反射可使光沿与入射方向相反的方向射出。 【教材应用】全反射棱镜反射光时几乎没有能量损失，可在潜望镜、照相机和望远镜中代替平面镜改变光路；还可缩短望远镜镜筒，并用于投影仪、激光电视和手机潜望式摄像头。 【教材拓展】角反射器由三个相互垂直的平面组成，入射光经两次或三次反射后沿原方向返回，常用于自行车反光装置、道路安全道钉、路障警示牌和车辆轮廓标志。 【即时练习1】一束光垂直射入等腰直角三角形棱镜的一个直角边，在斜面发生一次全反射后，传播方向怎样改变？ 答案：传播方向转过90°。 解析：光垂直入射时进入棱镜不偏折，在斜面以45°入射并发生全反射，反射光垂直于另一个直角边射出。 【即时练习2】为什么潜望镜、照相机和望远镜中常用全反射棱镜代替平面镜？ 答案：全反射棱镜能改变光的传播方向，并且反射光几乎没有能量损失。 解析：全反射利用棱镜内部界面反射，不需要在表面镀反射膜，光能损失较小，成像更明亮。 【教师归纳】全反射棱镜用一次或多次全反射改变光路，角反射器则使光沿接近原方向返回；分析时应先画入射方向，再逐次确定反射方向。 二、光纤的结构与传光原理 【教材定义】光纤是光导纤维的简称，其传递信息利用的是光的全反射原理。 【教材史实】1966年，华裔科学家高锟首先提出光纤可用于通信传输的设想，并因此获得2009年诺贝尔物理学奖，被誉为“光纤之父”。 【教材观察】用激光照射弯曲玻璃棒的一端并沿棒移动白纸，弯曲程度较大的位置更容易出现漏光；光纤不能产生过大的弯折。 【教材原理】应用最广的光纤由直径约10 μm的高纯度石英纤芯和折射率较小的包层组成，光在纤芯与包层界面发生多次全反射，沿纤芯传播。 【教材结构】实际单模光纤在包层外还有缓冲涂覆层等，既保护光纤免受环境污染和机械损伤，又避免光纤发生过大的弯折。 【教材情境结论】“满天星”塑料丝与光纤传光原理相同，光在塑料丝内壁多次全反射，沿锯齿形路线传播并从末端射出。 【即时练习3】光纤包层的折射率为什么要小于纤芯的折射率？ 答案：使光从纤芯射向包层时满足由光密介质射向光疏介质的条件，从而能在界面发生全反射。 解析：纤芯折射率较大、包层折射率较小是光被限制在纤芯中传播的结构基础。 【即时练习4】把光纤弯折得很急时，为什么可能出现明显漏光和信号衰减？ 答案：过度弯折会改变光到达界面时的入射角，使部分光不再满足全反射条件而射出纤芯。 解析：光纤可弯曲不等于可以任意折弯；保持合适弯曲半径才能维持稳定的全反射传输。 【教师归纳】纤芯与包层的折射率配置保证全反射，涂覆层和合理弯曲半径保证光纤在实际使用中既安全又少漏光。 三、光纤在通信、医疗和生活中的应用 【教材应用】把载有声音、图像和数字信号的激光输入光纤，就能把信息传到远方。光纤通信具有容量大、损耗低、抗电磁干扰能力强和保密性强等优点；一根光缆中可有几十根甚至上千根光纤。 【教材责任】通信光缆是国家通信网络的重要组成部分，光缆损坏会造成较大的社会影响和经济损失；每位公民都有保护通信光缆的责任和义务。 【教材应用】医学内窥镜装有两组光纤：一组把光送入人体内照亮组织器官，另一组把反射光传出，供医生直接观察或转换为图像信号。 【技术·中国】我国已建成全球规模最大、技术领先的光纤通信和移动宽带网络。截至2024年7月，光纤接入端口达到11.44亿个，千兆光网覆盖家庭户数超过1亿。 【技术·中国】我国已建成长约12 000 km的中欧海底光缆，并通过“东数西算”等工程以信息高速公路连接算力枢纽，为数字中国和网络强国建设提供支撑。 【即时练习5】光纤通信为什么适合远距离、大容量传输？写出两项教材列出的优点。 答案：可答容量大、损耗低、抗电磁干扰能力强、保密性强中的任意两项。 解析：光在纤芯中经多次全反射传播，配合激光信号和光缆结构，可实现稳定、高速的信息传输。 【即时练习6】医学内窥镜中的两组光纤分别承担什么任务？ 答案：一组把光传入人体内用于照明，另一组把组织器官反射的光传出用于观察或成像。 解析：只有同时完成照明和图像信息传出，医生才能看清人体器官内部。 【教师归纳】光纤把全反射规律转化为信息传输工具，应用判断要说明传什么、怎样传以及结构为什么能保证传输。 按全反射棱镜—光纤结构—通信医疗应用递进，把几何光路、界面条件和技术功能连成一条主线。 课堂背诵 1. 提问：什么是全反射棱镜？最常见的全反射棱镜是什么形状？ 答案：能够发生全反射的棱镜叫全反射棱镜；最常见的是横截面为等腰直角三角形的三棱镜。 2. 填空：光在等腰直角三角形棱镜中发生一次全反射可使光路转过______，发生两次全反射可使光沿与入射方向______的方向射出。 答案：90°；相反。 3. 提问：光纤由哪些主要部分组成？光为什么能沿纤芯传播？ 答案：主要由高折射率纤芯、低折射率包层和外部涂覆层组成；光在纤芯与包层界面多次全反射，因而沿纤芯传播。 4. 提问：光纤通信有哪些主要优点？ 答案：容量大、损耗低、抗电磁干扰能力强、保密性强。 5. 提问：医学内窥镜中的两组光纤分别有什么作用？ 答案：一组把光传入人体内用于照明，另一组把反射光传出用于观察或成像。 围绕棱镜、角反射器、纤芯包层、通信优点和内窥镜分工组织背诵，巩固应用知识的准确表达。 师生互动 【任务一：光路判断】画出光垂直射入等腰直角三角形棱镜一个直角边后，经斜面全反射再从另一直角边射出的光路，并标明传播方向。 答案：入射光进入棱镜时方向不变，在斜面全反射后转过90°，再垂直于另一直角边射出。 【教师归纳】棱镜光路应逐界面判断，不能直接凭外形猜测；垂直入射不偏折，斜面全反射负责改变方向。 【任务二：故障诊断】某光纤线路被折成很小的弯，接收端信号明显变弱。结合玻璃棒观察实验说明原因并提出改进。 答案：过度弯折使部分光不再满足全反射条件而漏出；应减小弯曲程度，保持合适的弯曲半径并保护涂覆层。 【教师归纳】诊断光纤问题要从纤芯—包层界面、入射角和结构保护三方面寻找原因。 【任务三：应用匹配】把角反射器、光纤通信、医学内窥镜分别与“安全警示、远距传信、体内观察”配对，并说明利用全反射的环节。 答案：角反射器用于安全警示，使光返回光源方向；光纤通信用纤芯中的全反射远距传信；内窥镜用光纤分别传入照明光和传出图像光。 【教师归纳】识别应用不能只记设备名称，还要说清光的传播路径、承担的任务和全反射的作用。 通过棱镜画光路、光纤故障诊断和应用匹配三项任务，促使学生用结构—原理—功能解释实际装置。 课堂练习 1. 光垂直射入等腰直角三角形棱镜的一个直角边，在斜面发生一次全反射后，传播方向通常转过（　　）。 A．30° B．45° C．90° D．180° 答案：C。 解析：光在斜面发生全反射后，反射光垂直于另一个直角边射出，传播方向改变90°。 2. 光纤能够把光限制在纤芯内传播，关键结构条件是（　　）。 A．包层折射率大于纤芯 B．纤芯与包层折射率相等 C．包层折射率小于纤芯 D．纤芯必须完全笔直 答案：C。 解析：纤芯折射率较大、包层折射率较小，光由纤芯射向包层时才可能发生全反射。 3. 儿童玩具“满天星”的塑料丝能够弯曲传光。请说明光在塑料丝中的传播方式。 答案：光从塑料丝一端射入，在内壁连续发生全反射，沿锯齿形路线传播并从另一端射出。 解析：弯曲介质仍能传光的关键是光在内部界面持续满足全反射条件。 4. 一段光纤被急剧弯折后，接收端信号变弱。请分析原因并提出一项改进措施。 答案：过度弯折使部分光在纤芯与包层界面不再满足全反射条件而泄漏；应减小弯曲程度，保持合适弯曲半径。 解析：光纤的可弯曲性有范围，安装和维护时应避免锐角弯折并保护外部涂覆层。 5. 医学内窥镜为什么需要两组光纤？ 答案：一组把光传入人体内照亮组织器官，另一组把反射光传出，供医生观察或转换成图像。 解析：传入照明光解决“看得见”，传出反射光解决“把内部图像带出来”，两组光纤分工配合。 6. 夜间自行车尾部的角反射器为什么能提醒后方汽车司机？这类装置对交通安全有什么作用？ 答案：汽车灯光进入角反射器后，经两次或三次反射沿接近原方向返回司机眼睛，使自行车位置更醒目，从而起到警示和防碰撞作用。 解析：角反射器不是把光随意散开，而是利用三个相互垂直的反射面，使从正面通光孔射入的光经两次或三次反射后沿原方向返回。汽车灯与驾驶员位置接近，返回光更容易进入驾驶员眼睛，因此在弱光环境下更容易发现自行车。 用光路判断、结构选择、传光说明、故障分析和应用解释检查学生能否迁移全反射应用知识。 课堂小结 【教师提问】全反射棱镜怎样改变光路？ 【教师归纳】等腰直角三角形棱镜中，一次全反射可使光路转过90°，两次全反射可使光沿与入射方向相反的方向射出。 【教师提问】光纤为什么能把光限制在纤芯中传播？ 【教师归纳】纤芯折射率大于包层，光在两者界面连续发生全反射；合理的弯曲半径和涂覆层保证传输稳定。 【教师提问】光纤通信和医学内窥镜分别怎样利用光纤？ 【教师归纳】光纤通信远距离传输声音、图像和数字信号；内窥镜用两组光纤分别完成照明和图像传出。 【教师提问】学习全反射应用还应形成哪些责任意识？ 【教师归纳】应保护通信光缆，规范安装和维护光纤，并理解光通信基础设施对生产生活和国家信息网络的重要作用。 以光路改变、光纤传输、应用价值和责任意识四组提问回扣学习路径，形成完整的技术理解框架。 作业布置 1．复习本节课的知识点； 2．完成课后练习； 3．整理笔记和易错题。 教学反思 ①目标达成：多数学生能画出全反射棱镜一次反射改变90°光路的过程，能依据纤芯折射率大于包层解释光纤传光，并能辨认通信、医疗和交通中的典型应用；即时练习与应用匹配任务能够提供对应证据。 ②典型问题：部分学生只会说器件“利用全反射”，不能逐界面描述棱镜光路；还有学生混淆纤芯、包层和涂覆层的作用，或把医学内窥镜两组光纤都理解为只负责照明。 ③原因分析：学生已有的全反射知识偏重条件记忆，对器件几何结构、光在界面处的传播变化和最终技术功能缺少连续推理；生活中看到的是设备外观，也较少直接观察内部光路。 ④改进措施：下一课时制作潜望镜前增加棱镜光路同桌互检，要求逐界面标明入射和反射方向；再用光纤结构示意图组织“结构—光路—功能”口头说明，并补充弯折漏光现象对照。 学科网（北京）股份有限公司 $