《光的全反射》探究式教学设计

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(西华师范大学物理与空间科学学院)

一、教材分析

(一)教材内容的地位和作用

《光的全反射》是教育科学出版社高中物理选修3～4第四章第3节的内容.

从内容上来看，本节内容是学生在学习光的反射与折射后又一种新的光学现象，本节内容主要研究的是光的全反射现象、全反射产生的条件、临界角以及全反射的应用.

从教材编写的角度来说，教材先介绍光疏、光密介质，再根据观察思考的实验得出全反射的现象以及全反射产生的条件，运用折射定律推导临界角与折射率的关系，最后简单介绍光纤原理.

从情感上来说，本节内容理论与实验联系十分紧密，充分体现了科学探究的课程理念.

(二)教学目标

根据新课程标准，确定如下三维目标：

1.知识与技能目标

(1)认识光的全反射现象并理解光的全反射条件；

(2)理解临界角的概念并能计算临界角；

(3)了解光导纤维的工作原理和光纤在生活中的应用.

2.过程与方法目标

(1)通过参与科学探究活动，观察光的全反射现象，得到光的全反射条件，从而培养学生的观察能力、归纳概括能力；

(2)通过学生分组实验，培养学生团队合作、交流讨论的能力.

3.情感态度与价值观目标

引导学生加深临界现象中量变引起质变的认知，从中领略物理之美，树立物理知识在实际生活中的蕴涵理念.

二、学情分析

(一)知识层面

通过之前的学习，学生已经掌握了光的反射定律和折射定律以及基本平面几何知识.

(二)能力层面

经过之前的学习，具有一定的抽象思维和分析概括能力，能基本实现由现象到规律的归纳总结，但是部分学生的抽象思维和空间想象能力还比较低，对临界的概念还比较模糊.

(三)心理层面

1.重点难点

确定依据：全反射现象在生活中十分广泛，但学生却不易察觉，因此，认识光的全反射现象以及全反射产生的条件是本节课的教学重点，而临界角的理解以及解释生活中的全反射现象是本节课的教学难点.

教学重点：通过对实验的观察认识全反射现象以及探究全反射产生的条件.

教学难点：临界角的理解以及解释生活中的全反射现象.

2.教法学法

教法：以演示实验为主，观察法为辅，结合讲授法.

学法：探究学习、合作学习.

3.教学资源

自制光控音响、光导纤维、自制全反射水槽、激光笔、自制光的全反射演示仪、多媒体.

4.教学过程

(1)创设情境，引入新课。教师活动，演示光控音响，如图1。简单介绍光控音响的原理，将透明塑料管子一端连接光控开关，另一端连接激光笔，打开激光笔，音响发声，引导学生思考为何管子可以导光？演示激光舞动，如图2：激光笔垂直水槽入射，水槽中的光线呈直线，逐渐倾斜激光笔，水槽中的光线变为美丽的折线，引导学生观察并思考为何水槽中的光线可以变为美丽的折线？

学生活动：观察演示实验现象，思考教师所提问题.

设计意图：通过演示实验引起学生的注意，激发学生的好奇心、求知欲以及学习热情，活跃课堂气氛与学生思维，激发学生对所学内容的兴趣.

(2)复习旧知，建构新知

光密介质与光疏介质.教师活动：引导学生回顾光的折射定律，从折射率的角度建立“光密介质”与“光疏介质”的概念.给出几种介质的折射率，如图3.提问学生水是光密介质还是光疏介质？引导学生思考，水相对空气是光密介质，相对于金刚石属于光疏介质，以此说明光密介质与光疏介质是相对的.

实验探究活动一：探究光的全反射现象.

教师活动：简单介绍自制教具——光的全反射演示仪，如图4：运用演示仪演示将光从光密介质(水)射入到光疏介质(空气)，逐渐增大入射角，引导学生观察在此过程中折射角如何变化、反射光线以及折射光线的强度又会如何变化？

学生活动：仔细观察实验现象并认真思考老师提出的问题.

教师活动：引导学生认真分析实验现象，如图5：总结归纳，得出实验结论.

设计意图：通过观察并分析实验现象，培养学生观察分析、总结归纳的能力.

(3)理论探究：探究全发射的条件

教师活动：提问如果光从光疏介质射入光密介质，是否也能发生全反射现象呢？引导学生进行理论分析.

学生活动：理论分析并进行分组讨论.

教师活动：归纳得出，由于光从光疏介质到光密介质时，入射角是大于折射角，所以入射角会先达到90°，在入射角从0°到90°的过程中，折射光线不消失.

设计意图：通过理论探究，培养学生理论分析能力，通过小组讨论，培养学生沟通交流的能力.

(4)学生分组实验：探究全发射产生的第一个条件

教师活动：引导学生设计验证实验，让学生根据实验设计，各小组分工合作进行实验操作，小组成员共同观察实验现象，讨论并得出实验结论.实验过程中针对各小组出现的问题进行指导.

学生活动：小组分工合作，完成验证实验，将光从光疏介质(空气)射入光密介质(水)，逐渐增大入射角，观察折射角和折射光线的变化，自己动手进行实验操作，得到发生全反射现象的第一个条件：光必须从光密介质射入光疏介质.

设计意图：学生分组实验，培养学生团队协作、共享资源、观察总结的科学素质.

实验探究二：探究全反射产生的第二个条件

教师活动：教师提问光从光密介质射入光疏介质一定能发生全反射吗？演示光由水射入空气，发现并没有发生全反射，逐渐增大入射角，增大到某一角度，折射光线消失，发生了全反射，从而得出发生全反射的第二个条件.

学生活动：认真思考教师所提问题，仔细观察实验现象，在老师引导下总结得出全反射产生的条件之二：入射角必须等于或大于某一角度.

设计意图：通过演示实验，培养学生观察、分析的能力.

5.归纳总结

教师活动：根据之前的演示实验与分组实验，引导学生一起总结产生全反射的条件，得出临界角的概念，引导学生运用光的折射定律理论推导出临界角的计算公式.

学生活动：结合光的折射定律寻找临界角与折射率的关系，根据已学知识进行公式推导.

设计意图：通过公式推导过程，培养学生逻辑推理能力，加深学生对临界角以及临界角计算公式的理解.培养学生运用所学知识解决问题的能力.

(三)学以致用，巩固新知

1.揭秘激光舞动

教师活动：简单介绍全反射水槽制作原理，引导学生思考激光笔垂直于水槽入射时以及激光笔逐渐倾斜时入射角的变化，运用多媒体展示水槽中的光路图，如图5：从而揭示极光舞动的奥妙.

设计意图：解释课前极光舞动的原理，体现课堂完整性.

2.介绍光导纤维

教师活动：以多媒体课件展示光纤以及光纤的结构，如图6：运用所学的知识解释光纤的原理，加强学生对全反射知识的应用.

学生活动：观察课件展示的图片，了解、认识光纤的结构以及光纤在现实生活中的主要应用，理解光导纤维的原理.

设计意图：让学生了解光的全反射在生活中的应用，感受物理的实用性，提高学生对物理的兴趣.

三、设计反思

本节课通过自制水槽、光控音响的演示实验引入新课，使学生获得更多的感性认识，激发学生好奇心与学习热情.为了使学生能够容易理解并掌握全反射以及全反射条件，本着“学生为主”的思想，借助自制教具通过探究实验以及学生分组实验，引导学生以探索者、研究者的身份投入学习中，让学生主动参与教学全过程，极大地激发并提高了学生的学习兴趣.学生通过自主探究、合作学习，体验物理规律的认知过程，在获取知识的同时，也培养了学生团队协作、理论推导、分析问题、解决问题以及科学探究的能力.

本节课的设计注重提供学生获取知识的方法，突出新知识的形成过程，让学生在掌握知识的同时通过实验探究弄懂知识的来龙去脉，把握科学知识的内在联系，有效地提高学习效率.

[1]徐慧.以问激疑，由疑启思[J].物理教学，2017，(2)：18.

[2]催学文.“光的全反射”教学设计[J].中学物理教学参考，2016，(4).

[3]陆俊杰.“全反射”教学设计与教案[J].物理教师，2001，(11)：11.

基金项目：西华师范大学英才基金项目，项目编号：17YC502。