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高中物理 第十三章 第一节 光的反射和折射学案 新人教版选修3-4


第十三章 光 1.光的反射和折射
【学习目标】 1、掌握光的折射定律 2、了解介质的折射率与光速的关系; 3、掌握介质的折射率的概念. 【重点难点】 光的折射定律;测量光的折射率 【课前预习】 一、反射及反射定律 (1)光的反射:光从一种介质射到它与另一种介质的分界面时,一部分光会返回到第一种介质 的现象。(2)反射定律:反射光线与入射光线、法线在同一平面内,反射光线与

入射光线分别 位于法线的两侧;反射角等于入射角。 二、折射及折射定律 (1)光的折射:光从一种介质照射到两种介质的分界面时,一部分光进入另一种介质的现象。 (2)折射定律:折射光线与入折射光线、法线处在同一平面内内,折射光线与入折射光线分别 位于法线的两侧,入射角 ? 1 与折射角 ? 2 的正弦成正比,即

sin ?1 ? n12 sin ? 2

(3)光路可逆性:在光的反射现象和折射现象中,光路都是可逆的。 三、折射率: (1)定义:光从真空射入某种介质发生折射时,入射角 ? 1 的正弦值与折射角 ? 2 的正弦值之比, 叫该介质的绝对折射率,简称折射率,用 n 表示。 (2)定义: n ?

sin ?1 sin ? 2
c 。 v

(3) 折射率与光速的关系: 光在不同介质中的传播速度不同, 且都小于光在真空中的传播速度; 某种介质的折射率等于光在真空中的速度与光在介质中的速度之比,即 n ?

【预习检测】 1.光的反射定律:__________、__________和法线在同一平面内,并分居法线两侧,_______ 角等于___________角。 2.光的折射定律:________、_________和法线在同一平面内,并分 居法线两侧,________________与________________成正比。 3.某种介质的折射率等于光在___________中的传播速度 c 与光在 ____________中的传播速度 v 的比值,即 n=__________。 4.如图所示,平面镜 AB 水平放置,入射光线 PO 与 AB 夹角为 30°, 当 AB 转过 20°角至 A′B′位置时,下列说法正确的是 ( )
1

A.入射角等于 50° B.入射光线与反射光线的夹角为 80° C.反射光线与平面镜的夹角为 40° D.反射光线与 AB 的夹角为 60° 5.在平面镜中看到的时钟钟面的像如图所示,则此时钟所指的时刻为 ( ) A.9∶20 B.3∶40 C.2∶40 D.4∶50 【参考答案】 【预习检测】 1、反射光线,入射光线,入射,反射 2、折射光线,入射光线,入射角的正弦,折射角的正 弦 3、真空,该介质,

v c

4、B

5、C

▲ 堂中互动▲ 【典题探究】 【例 1】 如图所示,光线以入射角 θ 1 从空气射向折射率 n= 2 玻璃表面. (1)当入射角 θ 1=45°时,反射光线与折射光线间的夹角 θ 为多少? (2)当入射角 θ 1 为多少时,反射光线和折射光线垂直? 思路解析:设折射角为 θ 2, 由 n=

sin ?1 sin ?1 sin 45? 1 = sin ? 2 = ? ? ,所以 θ 2=30°,又 θ 1′=45°,则反射光线与折射 sin ? 2 n 2 2

光线的夹角 θ =180°-θ 1′-θ 2=105°. ( 2 ) 当 反 射 光 线 和 折 射 光 线 垂 直 时 , θ 1′+θ 2=90° , n=

sin ?1 sin ?1 sin ?1 = i= s=tanθ sin ? 2 sin ? ? cos? 2 1

1

则入射角 θ 1=arctan 2 . 【拓展】:分析解决光的折射问题的一般方法: (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、折射定律求解; (4)注意在折射现象中,光路是可逆的. 变式训练 1:光线从空气射向玻璃砖, 当入射光线与玻璃砖表面成 30°角时折射光线与反射光线 恰好垂直,则此玻璃砖的折射率是( ) A. 2 B.

3

C.

2/2

D. 3 / 3

答案:B 变式训练 2:如图所示,激光液面控制仪的原理是:固定的一束激光 AO 以入射角 i 照射到液面 上,反射光 OB 射到水平的光屏上,屏上用光电管将光讯号转变成电讯号,电讯号输入控制系统 用以控制液面高度, 如果发现点 B 在屏上向右移动了 Δ s 的距离到 B′, 由此可知液面 (填“升 高”或“降低”).

答案:降低 【例 2】 在测定玻璃的折射率的实验中,对一块两面平行的玻璃砖,用插针法找出与入射光线
2

对应的出射光线,现有甲、乙、丙、丁四位同学分别做出如图所示的四组插针结果. (1)从图上看,肯定把大头针插错了的同学是________. (2)从图上看,测量结果准确度最高的同学是________. 思路解析:由上图可知,乙图中出射线向左上侧偏移不符合实际,肯定插 错了,甲、丙和丁相比较,前面两者入射角及两个插针间距比图丁小些, 故丁同学测量最准确. 答案: (1)乙(2)丁 方法小结:光线透过平行玻璃砖时出射光线与入射光线平行,且从空气射入 玻璃时,入射角大于折射角,因而光线透出时相当于入射光线向右下侧发生偏移,另外,插针 确定光路时,入射角稍大些好且插针相距稍远些好. 变式训练 1:如图所示,在用插针法测定玻璃折射率的实验中,以下各说法正确的是( )

A.P1、P2 及 P3、P4 之间的距离适当大些,可以提高准确度 B.P1、P2 及 P3、P4 之间的距离取得小些,可以提高准确度 C.入射角 i 适当大些,可以提高准确度 D.入射角太大, 入射光线会在玻璃砖的内表面发生全反射, 使实验无法进 行 答案:B,C 变式训练 2:如图所示中一半圆形玻璃外面插下 P1、P2、P3、 P4 四个大头针, P3、P4 可挡住 P1、P2 所成的像,已知 O、P2、P1 在一直线上,O、P3、P4 也在一直线上,P1、P4 点 分别为(1, 3 )、(- 3 ,-1),则折射率为___________________,若将玻璃砖绕 O 点在纸面 上旋转 15°,仍要 P4 挡住 P2、P1 像,则 P4′点的坐标为______________.

答案: 3 (- 3 ,+1) 问题探究 问题:如何设计实验,探究影响玻璃折射率大小的因素? 导思:在做此实验时,为了使测定结果更为准确,有以下几点需要注意: (1)插针 P1 与 P2、P3 与 P4 的间距要适当的大些,不要靠得太近,选择玻璃砖时,宽度宜大些, 这样可减小确定光路方向时出现的误差,提高测量的准确度. (2)入射角不能太小(接近 0°)也不能太大(接近 90°) ,因为 入射角太小时,折射角就会更小,测量时相对误差增大;入射角太 图1 大时,导致反射光太强、折射光太弱,不易观察,很难确定 P3、P4 的位置. (3)如果通过插针 P1、P2 的连线的光线射向玻璃右侧,且入射角又 大于某一数值,会出现隔着玻璃砖沿 P2、P1 方向观察不到 P1、P2 两插针 情况,此时的光路图如图 2 所示,遇到这种现象,可将玻璃砖沿 aa′界 面向右平移. 图2 (4)实验中一旦玻璃砖宽度所定的界面线 aa′和 bb′画好 后,放置的玻璃砖就不要随便移动,如果玻璃砖稍微斜移动, 测得的折射率肯定发生变化 . 如果稍微上下平移了玻璃砖对 测量结果没有影响,其光路如图 3 所示. 图3
3

(5)本实验中如果采用的不是两面平行的玻璃砖而采用三棱镜、半圆形玻璃砖,只是出射光与 入射光不平行,但一样能测出折射率. 探究:实验,照图 4 那样,先在白纸上画一条直线 aa′作为界面,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,然后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′,在线段 AO 上竖直地 插上两枚大头针 P1、P2,透过玻璃观察大头针 P1、P2 的像,调整视 图4 线的方向,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 P1、P2 的像及 P3,记下 P3、P4 的位置. 移去大头针和玻璃砖,过 P3、P4 引直线 O′B,与 bb′交于 O′,直线 O′B 就代表了沿 AO 方向入射的光线透过玻璃砖后的传播方向,连接 OO′,OO′就是折射光线的方向,入射角 i=∠AON,折射角 r=∠O′ON′. 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,把这些数据记入自己 设计的表格里. 用上面的方法分别求出入射角是 15°、30°、45°、60°、75°时的折射角,查出入射角 和折射角的正弦值,把这些数据也记在表格里. 算出不同入射角的 测得的

sin i 的值,比较一下,看它们是否接近于一个常数,求出几次实验中 sin r

sin i 的平均值,就是玻璃的折射率. sin r

探究结论:通过实验探究,可以发现,当入射角分别取不同值时,折射角也不同,但

sin i sin r

的值近似相等,所以说介质对光的折射率的大小由介质本身的性质决定,与入射角和折射角的 大小无关.

4


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