2019-2020學(xué)年高中物理 第13章 1 光的反射和折射學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、1　光的反射和折射 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.知道光的反射定律.2.理解折射定律的確切含義，并能用來(lái)解釋有關(guān)的光現(xiàn)象和計(jì)算有關(guān)的問(wèn)題.3.知道折射率的定義及其與光速的關(guān)系，并能用來(lái)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算．(重點(diǎn))4.掌握插針?lè)y(cè)折射率的方法． 一、反射定律和折射定律 1．光的反射 (1)定義 光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光會(huì)返回到第1種介質(zhì)的現(xiàn)象． (2)反射定律 反射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，反射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；反射角等于入射角． 2．光的折射和折射定律 光的折射 光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光進(jìn)入第2種介質(zhì)

2、的現(xiàn)象 入射角折射角 入射角：入射光線與法線的夾角 折射角：折射光線與法線的夾角 折射定律 折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比，即＝n12 光路可逆性 在光的反射和折射現(xiàn)象中，光路都是可逆的. 二、折射率 1．物理意義 反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量． 2．定義 光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，簡(jiǎn)稱折射率，即n＝. 3．折射率與光速的關(guān)系 某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比，即n＝. 4．特點(diǎn) 任何介質(zhì)的折射率都大于1

3、. 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)反射定律是確定反射光線位置的規(guī)律． (√) (2)發(fā)生漫反射時(shí)，反射角不等于入射角． (×) (3)一束光從空氣進(jìn)入水中時(shí)傳播方向一定改變． (×) (4)當(dāng)光從空氣垂直進(jìn)入水中時(shí)，水的折射率為0. (×) (5)折射率大的介質(zhì)，密度不一定大． (√) 2．關(guān)于光的反射與折射，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．光發(fā)生反射時(shí)，光的傳播方向不一定改變 B．光發(fā)生反射時(shí)，光的傳播方向可能偏轉(zhuǎn)90° C．光發(fā)生反射時(shí)，光的傳播方向一定改變 D．光發(fā)生折射時(shí)，一定伴隨著反射現(xiàn)象 E．光發(fā)生反射時(shí)，一定伴隨著折射現(xiàn)象 BC

4、D　[發(fā)生反射時(shí)，光的傳播方向一定發(fā)生改變，且可以改變90°，A錯(cuò)，B、C對(duì)；發(fā)生折射時(shí)，一定伴隨著反射現(xiàn)象，但有反射現(xiàn)象，不一定有折射現(xiàn)象，D對(duì)，E錯(cuò)．] 3．若某一介質(zhì)的折射率較大，那么光在該介質(zhì)中的速度較________． [解析]　由n＝可知，介質(zhì)的折射率越大，光在該介質(zhì)中的速度越?。? [答案]　小 反射定律和折射定律 1．光的方向 光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向一般要發(fā)生變化(斜射)，并非一定變化，當(dāng)光垂直界面入射時(shí)，傳播方向就不發(fā)生變化． 2．入射角與折射角的大小關(guān)系 光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，折射角與入射角的大小關(guān)系不要一概而論，要視兩種介

5、質(zhì)的折射率大小而定．當(dāng)光從真空斜射入介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角；當(dāng)光從介質(zhì)斜射入真空時(shí)，入射角小于折射角． 【例1】　如圖所示，虛線表示兩種介質(zhì)的界面及其法線，實(shí)線表示一條光線射向界面后發(fā)生反射和折射的光線，以下說(shuō)法正確的是(　　) A．bO可能是入射光線 B．a(chǎn)O可能是入射光線 C．cO可能是入射光線 D．Ob可能是反射光線 E．PQ可能是法線 BDE　[由于反射角等于入射角，入射光線，反射光線關(guān)于法線對(duì)稱，所以aO、Ob應(yīng)是入射光線或反射光線，PQ是法線．又因?yàn)榉瓷涔饩€、折射光線都不與入射光線位于法線同側(cè)，所以aO是入射光線，Ob是反射光線，Oc是折射光線．] (1

6、)在反射、折射現(xiàn)象中，光路都是可逆的． (2)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向一般要發(fā)生變化，但并非一定要變化；當(dāng)光垂直分界面入射時(shí)，光的傳播方向就不會(huì)變化． 1．如圖所示，落山的太陽(yáng)看上去正好在地平線上，但實(shí)際上太陽(yáng)已處于地平線以下，觀察者的視覺(jué)誤差大小取決于當(dāng)?shù)卮髿獾臓顩r．造成這種現(xiàn)象的原因是什么？ [解析]　太陽(yáng)光線進(jìn)入大氣層發(fā)生折射，使傳播方向改變，使人感覺(jué)太陽(yáng)的位置比實(shí)際位置偏高． [答案]　光的折射 折射率 1．關(guān)于正弦值 當(dāng)光由真空射入某種介質(zhì)中，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，但正弦值之比是一個(gè)常數(shù)． 2．關(guān)于常數(shù)n

7、入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一個(gè)常數(shù)，但不同介質(zhì)具有不同的常數(shù)，說(shuō)明常數(shù)反映著該介質(zhì)的光學(xué)特性． 3．光傳播速度 介質(zhì)的折射率n跟光在其中的傳播速率v有關(guān)，即n＝，由于光在真空中的傳播速率c大于光在任何介質(zhì)中的傳播速率v，所以任何介質(zhì)的折射率n都大于1.因此，光從真空斜射入任何介質(zhì)時(shí)，入射角均大于折射角；而光由介質(zhì)斜射入真空時(shí)，入射角均小于折射角． 4．決定因素 介質(zhì)的折射率是反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量，它的大小只能由介質(zhì)本身及光的性質(zhì)共同決定，不隨入射角、折射角的變化而變化． 【例2】　一束光線從空氣射向折射率為1.5 的玻璃內(nèi)，入射角為45°，畫(huà)出反射和折射的光路示意圖．

8、 [解析]　光在兩介質(zhì)的界面上通常同時(shí)發(fā)生反射和折射；由反射定律知反射角為45°，根據(jù)折射定律n＝得θ1＞θ2. [答案]　 (1)折射率的定義式中θ1為真空(空氣)中的光線與法線的夾角，不一定是入射角；θ2為介質(zhì)中的光線與法線的夾角，也不一定是折射角． (2)介質(zhì)的折射率與介質(zhì)的密度沒(méi)有必然的聯(lián)系．密度大，折射率未必大，如水和酒精，水的密度較大，但水的折射率較?。? 2．一束光由空氣射入某介質(zhì)時(shí)，入射光線與反射光線間的夾角為90°，折射光線與反射光線間的夾角為105°，則該介質(zhì)的折射率n＝________，光在該介質(zhì)中的傳播速度v＝________c．(c為真空中

9、光速) [解析]　由反射定律和題意可知，反射角和入射角均為45°，折射角為r＝180°－45°－105°＝30°，則折射率n＝＝，所以光在該介質(zhì)中的速度v＝＝＝c. [答案]　　 測(cè)定玻璃的折射率 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握測(cè)玻璃折射率的方法；加深對(duì)折射定律的理解． 2．實(shí)驗(yàn)過(guò)程 用插針?lè)ù_定光路，找出跟入射光線相對(duì)應(yīng)的折射光線，用量角器測(cè)入射角i和折射角r，根據(jù)折射定律計(jì)算出玻璃的折射率n＝. 3．實(shí)驗(yàn)器材 玻璃磚、白紙、木板、大頭針?biāo)拿?、圖釘四枚、量角器、三角板(或直尺)、鉛筆． 4．實(shí)驗(yàn)步驟 (1)如圖所示，把白紙用圖釘釘在木板上．在白紙上畫(huà)一條直線aa′作為玻璃磚

10、的上界面，畫(huà)一條線段AO作為入射光線，并過(guò)O點(diǎn)畫(huà)出界面aa′的法線NN′. (2)把長(zhǎng)方形的玻璃磚放在白紙上，使它的一個(gè)長(zhǎng)邊跟aa′嚴(yán)格對(duì)齊，并畫(huà)出玻璃磚的另一個(gè)長(zhǎng)邊bb′. (3)在AO線段上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2. (4)眼睛在另一側(cè)透過(guò)玻璃磚看兩個(gè)大頭針，使P2把P1擋住，在眼睛這側(cè)沿視線方向插上大頭針P3，使它把P1、P2擋住． (5)用同樣的方法在玻璃磚的bb′一側(cè)再插上大頭針P4，使P4能同時(shí)擋住P3本身和P1、P2的虛像．記下P3、P4的位置，移去玻璃磚和大頭針．過(guò)P3、P4引直線O′B與bb′交于O′點(diǎn)，連接O、O′兩點(diǎn)，OO′就是入射光AO在玻璃磚內(nèi)的折

11、射光線的方向．入射角i＝∠AON，折射角r＝∠O′ON′. (6)用量角器量出入射角i和折射角r.從三角函數(shù)表中查出入射角和折射角的正弦值，記錄在自己設(shè)計(jì)的表格里． (7)用上面的方法分別測(cè)出入射角是15°、30°、45°、60°和75°時(shí)的折射角．查出入射角和折射角的正弦值，把這些數(shù)據(jù)也記錄在上述的表格里． (8)計(jì)算出不同入射角時(shí)的值．比較一下，看它們是否接近一個(gè)常數(shù)．求出幾次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的的平均值，就是玻璃的折射率． 5．注意事項(xiàng) (1)玻璃磚的上折射面必須與直線aa′嚴(yán)格對(duì)齊，才能準(zhǔn)確地確定法線，準(zhǔn)確地畫(huà)出入射角和折射角． (2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡可能將大頭針豎直地插在紙上，且P1和

12、P2之間、P2和O之間、P3和P4之間、P3和O′之間距離要稍大一些．重合的時(shí)候要看玻璃磚里面的像，而不是看玻璃磚上面的大頭針的頭部． (3)入射角i應(yīng)適當(dāng)大一些，以減小測(cè)量角度的誤差，但入射角不宜過(guò)大，在操作時(shí)，手不能觸摸玻璃磚光潔的光學(xué)面，更不能用玻璃磚的界面代替直尺畫(huà)界線． (4)在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中玻璃磚與白紙的位置都不能改變． 6．?dāng)?shù)據(jù)處理及誤差分析 此實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量入射角和折射角，然后查數(shù)學(xué)用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝中求玻璃的折射率．除運(yùn)用此方法之外，還有以下處理數(shù)據(jù)的方法： 在找到入射光線和折射光線以后，以入射點(diǎn)O為圓心，以任意長(zhǎng)為半徑畫(huà)圓，分別與AO交于C

13、點(diǎn)，與OO′(或OO′的延長(zhǎng)線)交于D點(diǎn)，過(guò)C、D兩點(diǎn)分別向NN′作垂線，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的長(zhǎng)，如圖所示． 由于sin α＝，sin β＝. 而CO＝DO，所以折射率n1＝＝. 重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，求得各次折射率，然后求其平均值即為玻璃折射率的測(cè)量值． 【例3】　在“測(cè)定玻璃折射率”的實(shí)驗(yàn)中： (1)操作步驟如下： ①先在白紙上畫(huà)出一條直線aa′代表兩種介質(zhì)的界面，過(guò)aa′上的O點(diǎn)畫(huà)出界面的法線NN′，并畫(huà)一條線段AO作為入射光線． ②把長(zhǎng)方形玻璃磚放在白紙上，使它的長(zhǎng)邊跟aa′對(duì)齊． ③在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2，透過(guò)玻璃磚觀察大頭

14、針P1、P2的像．調(diào)整視線方向，直到P1的像被P2擋?。僭谟^察的這一側(cè)插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P1、P2的像和P3，記下P3、P4的位置． ④移去大頭針和玻璃磚，連接P3、P4作為折射光線，測(cè)量出入射角θ1與折射角θ2，填入表格中． 上述操作步驟中存在嚴(yán)重的缺漏，應(yīng)做的補(bǔ)充是______________________ ______________________________________________________. (2)實(shí)驗(yàn)中測(cè)出了多組入射角θ1與折射角θ2，并作出了sin θ1 sin θ2圖象如圖所示．則下列說(shuō)法正確的______

15、__． A．實(shí)驗(yàn)時(shí)，光線是由空氣射入玻璃 B．玻璃的折射率為0.67 C．玻璃的折射率為1.5 [解析]　(1)步驟②中應(yīng)在白紙上畫(huà)出玻璃磚的另一個(gè)界面bb′，步驟④中應(yīng)通過(guò)P3、P4的連線與bb′的交點(diǎn)O′和aa′上的入射點(diǎn)O，作出玻璃磚中的光線OO′. (2)由圖可看出入射角θ1小于折射角θ2，因此，光線應(yīng)該是由玻璃射入空氣；則玻璃折射率n＝＝＝1.5，所以選項(xiàng)C正確． [答案]　(1)見(jiàn)解析　(2)C 3.用兩面平行的玻璃磚測(cè)定玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)中，已畫(huà)好玻璃磚界面aa′和bb′，不慎將玻璃磚向上平移了一些，放在如圖所示的位置上，而實(shí)驗(yàn)中其他操作均正確，測(cè)得的折射率將________(填“偏大”“偏小”或“不變”)． [解析]　可作出經(jīng)過(guò)玻璃磚的光路圖，由幾何知識(shí)可知，測(cè)出的折射角與正確值相同． [答案]　不變 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.光的反射和折射現(xiàn)象，法線、入射角、反射角、折射角的含義． 2．反射和折射定律，利用其解釋相關(guān)光現(xiàn)象和計(jì)算有關(guān)問(wèn)題． 3．折射率的概念，測(cè)定玻璃的折射率. - 8 -