师：今天我们一起学习高二选择性必修一第四章第三节光的全反射与光纤技术。之前我们学过光在同种均匀介质中沿直线传播，但有些现象好像违背了这一规律，比如接下来要做的水柱导光实验，请同学们边看边思考。首先，将瓶中装满水，开启激光器，大家能看到什么现象？当水柱随着瓶中水位下降而变形时，又能看到什么现象？
生：（观察实验）
师：我们发现，开始时激光沿着弯曲的水柱传播，整个水柱充斥着绿光，水柱以外几乎没有光。不过随着水位降低，激光不再完全被限制在水柱内，水柱以外也开始有光。产生这些现象的原因是什么呢？是不是光真的在水中发生了弯曲？要解释这个现象，我们先回忆一下之前学过的光的折射。通过第一节课的学习，我们知道光从空气进入玻璃时，入射角大于折射角；光从玻璃进入空气时，折射角大于入射角，并且随着入射角增大，折射角也同时增加。下面请同学们在笔记本上画出光线在玻璃和空气之间传播的光路图。
生：（画光路图）
师：看这个光路图，我们发现在不同的入射情况下，空气中的角度总比玻璃中的角度大。那么是什么原因影响了光的偏折程度呢？根据前面学过的知识，我们知道不同介质的折射率是不同的，大量实验表明，光的偏折程度跟所在介质的折射率有关。光从一种介质进入另一种介质时，在折射率较小的介质中偏折程度往往更大。在物理学中，我们把折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质，光疏与光密是相对而言的。如果光从水进入空气中，水是光密介质；如果光从水进入玻璃中，此时玻璃的折射率大于水的折射率，那么水就成了光疏介质。由光疏介质和光密介质的定义可知，光由光密介质射入光疏介质时，光在光疏介质中的偏折更大，即折射角大于入射角，当入射角增加到一定程度时，折射角会先达到90度。如果再增加入射角，会出现什么现象呢？下面让光线从玻璃进入空气，同学们观看视频的同时，请思考随着入射角的增加，折射角是如何变化的？折射光线和反射光线的亮度又是如何变化的？光线由玻璃进入空气中时会同时发生反射和折射现象。
生：（观看视频并思考）
师：随着入射角的增大，折射角和反射角会同时增大，而且反射光线的强度逐渐变强，折射光线强度变弱。当入射角达到某一角度时，折射光线消失，只有反射光线，此时发生全反射现象。从这个实验中我们发现，当入射角达到某一角度时，折射角先达到90度，继续增加入射角，折射角将大于90度，此时入射光线全部被反射回折射率较大的介质中，我们把这种现象称为光的全反射，这时的入射角叫临界角。从定义可知，要形成全反射是需要一定条件的，那么形成全反射的条件是什么呢？下面我们通过光在空气和水之间的传播来找一找光的全反射条件。首先我们让光从空气射入水中，开始光从空气进入水中，同时出现反射和折射现象，随着入射角的增加，反射和折射现象依然存在，不发生全反射现象。
生：（观察现象）
师：我们发现光线并没有发生全反射。然后我们让光从水进入空气中，光从水进入空气时也同时出现反射和折射现象。随着入射角的增加，我们发现折射光线逐渐变弱，反射光线逐渐变强。当入射角大于或等于某一角度时，折射光线消失，只有反射光线存在，发生全反射现象。
生：（观察现象）
师：我们发现入射角达到某一角度时发生了全反射。由此我们归纳出形成全反射的条件是，首先光需要从光密介质射向光疏介质，其次，入射角要大于或等于临界角，只有这两个条件同时满足，才会发生全反射现象。通过之前的实验，细心的同学可能会发现，光从水射向空气和从玻璃射向空气时，临界角是不同的。那么临界角和介质的折射率有什么关系呢？首先我们让光线从空气进入某种介质中，根据折射率的定义，n = sinθ? / sinθ? ，θ?为入射角，θ?为折射角。随着入射角的增大，折射角也会增大。当入射角为90度时，此时的折射角为Ic 。根据光的可逆性，我们知道当光线从其他介质进入空气时，折射角为90度的入射角也刚好为Ic 。根据临界角的定义，Ic即为临界角，那么此公式可以写为，n = sinθ? / sinθ? = sin90° / sinIc ，则sinIc = 1 / n 。
生：（思考并理解公式）
师：从这个公式可知，介质的折射率越大，全反射时的临界角越小。比如水的临界角为48.8度，玻璃的临界角为32度到42度之间。而由于钻石的折射率非常大，所以钻石的临界角仅为24.4度。这就使得射入钻石的光很容易在钻石内部各个界面发生多次的全反射，然后才离开钻石，所以钻石看起来闪闪发光，特别漂亮。那么请同学们再思考一下，课堂最开始我们做的水柱导光实验，能用全反射的理论去解释这种现象吗？如左图所示，之所以激光沿着弯曲的水柱传播，是因为当瓶中装满水，激光从水射向空气时，激光的入射角会大于临界角，从而发生全反射现象，所以没有光折射出水柱。而如右图所示，随着瓶中水位的下降，水柱的轨迹发生了弯曲，水柱以外开始有光射出，这是因为激光在水和空气界面处的入射角逐渐变小，使得激光的入射角小于临界角，从而不能发生全反射，会有部分光折射出水柱。
生：（思考并回答）
师：其实我们生活中的光纤导光原理就类似于水柱导光。那么什么是光纤呢？它的结构又是什么样子呢？光纤全称光导纤维，它能把光从一端远距离传输到另一端。光纤的制作材料是玻璃或者塑料，直径在几微米到100微米之间。如图所示，光纤由纤芯和包层组成，其中纤芯的折射率大于包层，所以纤芯属于光密介质，包层属于光疏介质，所以光在纤芯和包层之间传播时，会在界面上发生全反射，最终光会以折线的形式进行远距离传播。光纤在生活中的应用非常广泛，比如我们可以把许多光纤组合成光缆，利用光缆可以制成医学上检查人体消化道的内窥镜。同时光作为一种频率较高的电磁波，可以加载大量的声音信息和图像信息。在通信领域，光纤通信具有容量大、衰减小、抗干扰能力强的特点。光纤通信是人类史上一次超越时间和空间的奇迹。你在微信上的聊天、文字、电话里说的话，包括你现在刷的这个视频，都是由这根细小的纤维进行光学传输来完成的。那你知道这么神奇的纤维是怎样制造的吗？其实它是固态玻璃，由芯、包层、涂覆层三部分组成。首先工人把这些玻璃管浸泡在氢氟酸中，目的是去除玻璃管的残留。随后在车床两端各放置一根玻璃管，旋转玻璃管，并用氢氧焰加热至玻璃管变白，此时玻璃快要到达峰值温度2000摄氏度时，玻璃管会融合。工人将长管移到另一个车床，旋转玻璃棒的同时往里面注入化学气体，同时用横贯的炉子将其加热。气体被加热后发生化学反应，在玻璃棒中留下白炭黑，高温融化白炭黑，光学纤维的最内层纤芯就制作完成了，而玻璃棒自身则为最外层的涂覆层。当白炭黑足够时，工人调高温度，使白炭黑自身也变成玻璃，这时位于中间的包层也完成。但还没真正完成，此时还要对其进行加热，直到包层玻璃和外层玻璃融化，形成实心玻璃棒。现在内部结构就完成了，但这根玻璃棒还是太粗，要将其变细，首先要烧断玻璃管未熔结部位，随后竖直放置在拉丝塔上，拉丝塔的热炉将玻璃管加热至2000摄氏度，玻璃便会软化，重力作用使得玻璃管像蜂蜜滴落一样向下延伸，到了一定的长度，将其剪断，用玻璃球作为砝码将玻璃不断拉长，直到形成细丝状的玻璃纤维。通过紫外线灯烤上一层丙烯酸树脂，使其免受灰尘和其他物质污染。最后将光纤盘在滚轮上，就可以直接运出或包入电缆中。制造光纤流程虽然复杂，但其原理其实很简单，光纤利用光的全反射原理，发射端把需要传输的信息或者语音变成电信号，电信号通过在玻璃管内折射到达接收端，检测器收到光信号后把它变成电信号，经过处理后恢复原信息。