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1、精品教案可编辑4.5 光的折射学 习 目 标知 识 脉 络1.理解折射定律的确切含义，并能用来解释有关的光现象和有关的计算.(重点、难点)2.理解介质的折射率，了解介质的折射率与光速的关系，并能进行相关计算.(重点)3.知道光路是可逆的，并能用来处理有关的问题.4.会测定介质的折射率.探 究 光 的 折 射 定 律先填空 1.折射现象光从一种介质进入另一种介质，光的传播方向发生改变的现象.图 4-5-12.折射定律入射光线、折射光线跟法线在同一平面内，入射光线、折射光线分别位于法线两侧，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比.即sin isin rn，n为常数.精品教案可编辑3.在折射现象中，光路是
2、可逆的.再判断 1.折射光线一定在法线和入射光线所确定的平面内.()2.入射角总大于折射角.()3.光线从空气斜射入玻璃时，折射角小于入射角.()后思考 1.光的折射现象中，折射角是否与入射角成正比？【提示】不是折射角与入射角成正比，是入射角的正弦跟折射角的正弦成正比.2.在光发生折射时，光的传播方向一定要发生变化吗？【提示】不一定变化，当光垂直界面入射时光的传播方向不发生变化.核心点击 1.“同面内”：“折射光线与入射光线、法线在同一平面内”，这句话大体上说明了三线的空间位置：折射光线在入射光线与法线决定的平面内，即三线共面.2.“线两旁”：“折射光线与入射光线分别位于法线两侧”，这句话把折
3、射光线的位置又作了进一步的确定，使得折射光线的“自由度”越来越小(i0).3.“正比律”：“入射角的正弦与折射角的正弦成正比”，即sin isin rn，折射角r随入射角i的变化而变化，入射角i的正弦与折射角r的正弦之比是定值，当入射光线的位置、方向确定下来时，折射光线的位置、方向就唯一确定了.1.关于光的反射与折射，下列说法正确的是()A.光发生反射时，光的传播方向不一定改变B.光发生反射时，光的传播方向可能偏转90 C.光发生反射时，光的传播方向一定改变D.光发生折射时，一定伴随着反射现象精品教案可编辑E.光发生反射时，一定伴随着折射现象【解析】发生反射时，光的传播方向一定发生改变，且可以
4、改变90，A 错，B、C对；发生折射时，一定伴随着反射现象，但有反射现象，不一定有折射现象，D 对，E 错.【答案】BCD2.如图 4-5-2所示，虚线表示两种介质的界面及其法线，实线表示一条光线射向界面后发生反射和折射的光线，以下说法正确的是()图 4-5-2A.bO可能是入射光线B.aO可能是入射光线C.cO可能是入射光线D.Ob可能是反射光线E.PQ可能是法线【解析】由于反射角等于入射角，入射光线与反射光线关于法线对称，所以aO、Ob应是入射光线或反射光线，PQ是法线.又因为反射光线、折射光线都不与入射光线位于法线同侧，所以aO是入射光线，Ob是反射光线，Oc是折射光线.【答案】BDE3
5、.如图 4-5-3所示，落山的太阳看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况.造成这种现象的原因是什么？图 4-5-3【解析】太阳光线进入大气层发生折射，使传播方向改变，使人感觉太阳的位置比实精品教案可编辑际位置偏高.【答案】光的折射利用光路图解决光的折射问题的方法1.根据题意画出正确的光路图.首先要找到入射的界面，同时准确地作出法线，再根据折射定律和入射光线画出折射光线，找到入射角和折射角，要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线的夹角.2.利用几何关系确定光路图中的边、角关系，与折射定律nsin isin r中的各量准确对应.比如一定
6、要确定哪个角在分子上、哪个角在分母上.3.利用折射定律nsin isin r、折射率与光速的关系ncv列方程，结合数学三角函数的关系进行运算.折 射 率先填空 1.折射率(1)意义：反映介质使光偏折的性质.(2)定义：光从真空射入某种介质时发生折射，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫这种介质的折射率.(3)公式nsin isin r.(4)折射率与光速的关系：某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比，即ncv.精品教案可编辑(5)特点：任何介质的折射率都大于1.2.当一束白光斜射入某种介质时，由于各种色光的折射角不同，各种色光将分开，这种现象叫光的色散.各种
7、色光中，红光的偏折角度最小，紫光的偏折角度最大.3.同一种介质，对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大.红光在介质中的传播速度最大，紫光在介质中的传播速度最小.再判断 1.当光从空气垂直进入水中时，水的折射率为0.()2.光的折射率随入射角的增大而增大.()3.介质的折射率越大，光在这种介质中的传播速度越小.()后思考 1.是否可以由折射率的定义式nsin isin r得出介质的折射率与入射角i的正弦成正比，与折射角r的正弦成反比？【提示】不可以.折射率n由介质的性质和光的颜色决定，与入射角i和折射角r无关.2.光在折射率大的介质中传播速度越大还是越小？【提示】由vcn知，n越大，v越小.核心
8、点击 1.关于正弦值当光由真空射入某种介质中，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值之比是一个常数.2.关于常数n入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映着该介质的光学特性.3.光传播速度精品教案可编辑介质的折射率n跟光在其中的传播速率v有关，即ncv，由于光在真空中的传播速率c大于光在任何介质中的传播速率v，所以任何介质的折射率n都大于 1.因此，光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角；而光由介质斜射入真空时，入射角均小于折射角.4.决定因素介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小只能由介质本身及光的性质共同决定，不随
9、入射角、折射角的变化而变化.4.一束光从某种介质射入空气中时，入射角1 30，折射角2 60，折射光路如图4-5-4所示，则下列说法正确的是()图 4-5-4A.此介质折射率为33B.此介质折射率为3C.光在介质中速度比在空气中小D.光在介质中速度比在空气中大E.当入射角增大时，折射角也增大，但折射率不变【解析】由折射定律nsin 2sin 13，A 错误，B 正确；又由ncv知光在介质中速度比在空气中小，C 正确，D 错误.根据折射率的物理意义，E 正确.【答案】BCE5.如图 4-5-5所示，从点光源S发出的一细束白光以一定的角度入射到三棱镜的表面，经过三棱镜的折射后发生色散现象，在光屏的
10、ab间形成一条彩色光带.下面的说法中正确的是()精品教案可编辑图 4-5-5A.a侧是红光，b侧是紫光B.在真空中a侧光的波长小于b侧光的波长C.三棱镜对a侧光的折射率大于对b侧光的折射率D.在三棱镜中a侧光的速率比b侧光小E.在三棱镜中a、b两侧光的速率相同【解析】由题图可以看出，a侧光偏折得较厉害，三棱镜对a侧光的折射率较大.所以a侧光是紫光，波长较短，b侧光是红光，波长较长，因此A 错，B、C 正确；又vcn，所以三棱镜中a侧光的传播速率小于b侧光的传播速率，D 正确，E错误.【答案】BCD6.利用半圆柱形玻璃，可减小激光光束的发散程度.在如图4-5-6所示的光路中，A为激光的出射点，O
11、为半圆柱形玻璃横截面的圆心，AO过半圆顶点.若某条从A点发出的与AO成角的光线，以入射角i入射到半圆弧上，出射光线平行于AO，求此玻璃的折射率.图 4-5-6【解析】根据光路图，由折射定律得nsin isin r，由几何关系得ri故nsin isin i【答案】sin isin i精品教案可编辑折射问题的四点注意1.根据题意画出正确的光路图；2.利用几何关系确定光路中的边、角关系，要注意入射角、折射角的确定；3.利用反射定律、折射定律求解；4.注意光路可逆性、对称性的应用.测 定 材 料 的 折 射 率1.实验目的测定玻璃的折射率.2.实验原理如图 4-5-7所示，当光线AO以一定入射角1穿过
12、两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线的OB，从而画出折射光线OO，量出折射角2，再根据nsin 1sin 2算出玻璃的折射率.图 4-5-73.实验器材一块长方体的玻璃砖，白纸，木板，大头针(4 枚)，量角器(或圆规、三角板)，刻度尺，激光笔，铅笔等.核心点击 1.实验步骤精品教案可编辑(1)如图 4-5-8所示，将白纸用图钉钉在平木板上；图 4-5-8(2)在白纸上画出一条直线aa作为界面(线)，过aa上的一点O画出界面的法线NN，并画一条线段AO作为入射光线；(3)把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa对齐，画出玻璃砖的另一边bb；(4)在直线AO上竖直插上两
13、枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像.再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置；(5)移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线OB与bb交于O，直线OB就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向；(6)连接OO，入射角iAON，折射角rOON，用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中；(7)用上述方法分别求出入射角分别为30、45、60 时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中.2.数据处理方法一
14、：平均值法求出在几次实验中所测sin isin r的平均值，即为玻璃砖的折射率.方法二：图像法在几次改变入射角、对应的入射角和折射角正弦值的基础上，以sin i值为横坐标、以sin r值为纵坐标，建立直角坐标系，如图4-5-9所示.描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线.精品教案可编辑图 4-5-9求解图线斜率k，则ksin rsin i1n，故玻璃砖折射率n1k.方法三：作图法在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OE(或OE的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN作垂线，交NN于C、D，用直尺量出CC和DD的长，如图 4-5-10所示
15、.图 4-5-10由于 sin iCCCO，sin rDDDO，而CODO，所以折射率n1sin isin rCCDD.7.如图 4-5-11所示，关于“测定玻璃的折射率”的实验，回答以下问题.图 4-5-11(1)请证明图中的入射光线和射出玻璃砖的光线是平行的.(2)为减小实验误差，入射角大一些好还是小一些好？精品教案可编辑【解析】(1)如右图所示，证明：nsin i1sin r1sin r2sin i2而r1i2所以i1r2，所以入射光线平行于出射光线.(2)大一些好.这样测量的误差会小些，可以减小实验误差.【答案】见解析8.在“测定玻璃折射率”的实验中：(1)操作步骤如下：先在白纸上画出
16、一条直线aa代表两种介质的界面，过aa上的O点画出界面的法线NN，并画一条线段AO作为入射光线.把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa对齐.在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像.调整视线方向，直到P1的像被P2挡住.再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，记下P3、P4的位置.移去大头针和玻璃砖，连接P3、P4作为折射光线，测量出入射角1与折射角2，填入表格中.上述操作步骤中存在严重的缺漏，应做的补充是_.(2)实验中测出了多组入射角1与折射角2，并作出了sin 1-sin 2图像，如图 4-
17、5-12所示.图 4-5-12则实验时，光线是由_ 射入 _.玻璃的折射率为_.精品教案可编辑【解析】(1)步骤中应在白纸上画出玻璃砖的另一个界面bb，步骤中应通过P3、P4的连线与bb的交点O和aa上的入射点O，作出玻璃砖中的光线OO.(2)由图可看出入射角1小于折射角2，因此，光线应该是由玻璃射入空气；则玻璃折射率nsin 2sin 10.450.301.5.【答案】(1)见解析(2)玻璃空气1.5实验时应注意的三点1.实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间，P2与O点之间，P3与P4之间，P3与E之间距离要稍大一些.2.入射角i应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，也不宜太小.3.玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm 以上.若宽度太小，则测量误差较大.