(共49张PPT)
内容索引
01
02
课前篇 自主预习
课堂篇 探究学习
学习目标
1.通过实验认识光的折射现象,知道光的折射光路可逆,探究折射角和入射角的关系。(科学探究)
2.理解折射定律,利用折射定律能够解释光的色散现象和计算有关问题。(科学思维)
3.理解折射率的概念,知道折射率和光速的关系。(科学思维)
思维导图
课前篇 自主预习
自主阅读
一、光的折射定律
1.折射现象
光从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向会改变的现象。
2.折射定律(斯涅耳定律)
1962年,荷兰科学家斯涅耳发现,当光从介质1斜射入介质2时,折射光线、入射光线和法线在同一平面内,折射光线和入射光线分别位于法线两侧,入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数,即 =n,n是介质2对介质1的相对折射率。
3.光路可逆
在折射现象中,光路是可逆的。
二、折射率
1.定义
光从真空斜射入某种介质发生折射时,入射角i的正弦与折射角r的正弦的比值。用n表示。
2.定义式
3.物理意义
反映介质光学性质的一个物理量,反映了光从空气斜射入介质(或从介质斜射入空气)时偏离原来传播方向的程度。折射率越大,偏离程度越大。
4.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与光在这种介质中的传
5.不同色光的折射率
不同颜色的光在同一种介质中的传播速度不相同,折射率也不相同。在同一种介质中,红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光,红光的传播速度最大,折射率最小;紫光的传播速度最小,折射率最大。
三、光的色散现象
一束白光经三棱镜折射后,由于不同色光的折射率不同,偏折程度就不同,会出现色散现象。
自我检测
1.正误判断
(1)光从一种介质进入另一种介质时传播方向就会变化。( )
解析 如果光垂直分界面入射时,光的传播方向就不会变化。
答案 ×
(2)介质的密度越大,其折射率一定也越大。( )
解析 介质的折射率与介质的密度没有必然联系,密度大,其折射率不一定大。
答案 ×
(3)光从真空斜射入任何介质时,入射角均大于折射角。( )
答案 √
(4)折射定律是确定折射光线位置的规律。( )
答案 √
(5)光的折射率随入射角增大而增大。( )
答案 ×
(6)介质的折射率越大,光在这种介质中的传播速度越小。( )
答案 √
2.插入水中的筷子,水里部分从水面斜着看起来是( )
A.向上曲折
B.向下曲折
C.没有变化
D.与水对光线的反射有关,难以确定
解析 由光的折射定律知,水中的筷子所成的像比实际位置浅,则应向上曲折,选项A正确。
答案 A
课堂篇 探究学习
探究一
对光的折射现象、折射定律的理解
情境探究
有经验的渔民叉鱼时,不是正对着看到的鱼去叉,而是对着所看到鱼的下方叉,如图所示。你知道这是为什么吗
要点提示 从鱼身上反射的光线由水中进入空气时,在水面上发生折射,折射角大于入射角,折射光线进入人眼,人眼逆着折射光线的方向看去,就会觉得鱼变浅了,眼睛看到的是鱼的虚像,在鱼的上方,所以叉鱼时要瞄准像的下方,如图所示。
知识归纳
1.对折射现象的理解
(1)特殊情况:当光垂直于界面入射时,光的传播方向不变,但光速变了,因此也属于折射。
(2)光线的偏折方向:光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质,折射光线向法线偏折,反之将偏离法线。
(3)光路可逆性:光由介质射入空气或真空时,折射角θ2大于入射角θ1。根据光路可逆,可认为光由空气或真空以入射角θ2入射,对应的折射角为θ1。
2.对折射定律的理解
(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。
(2)“线两旁”:“折射光线与入射光线分居在法线两侧”,这句话把折射光线的位置又进一步确定,使得折射光线的“自由度”越来越小。
(3)“正比律”:“入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数”,即 =n,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的正弦成正比,当入射光线的位置、方向确定时,折射光线的位置、方向就唯一确定了。
光的折射定律是光从一种介质射向另一种介质中时,在传播过程中遵循的必然规律。
典例剖析
例题1如图所示,一小孩站在宽6 m的河边,在他正对面的岸边有一距离河面高度为3 m的树,树的正下方河底有一块石头,小孩向河面看去,可同时看到树顶和石头两者的像,并发现两个像重合,若小孩的眼睛离河面高为1.5 m,河水的折射率为 ,试估算河水深度。
解析 树顶反射和石头折射成像的光路图如图所示
答案 5.3 m
规律方法 解决光的折射问题的方法
(1)根据题意准确、规范地画出光路图。
(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系。
(3)利用折射定律n= 列式求解,必要时可利用光路可逆原理辅助解题。
变式训练1一条光线以40°的入射角从真空射到平板透明材料上,光的一部分被反射,一部分被折射,折射光线与反射光线的夹角可能是( )
A.小于40° B.在50°~100°之间
C.在100°~140°之间 D.大于140°
解析 由 >1得折射角θ2<θ1=40°,由反射定律得θ3=θ1=40°,如图所示,故折射光线与反射光线的夹角φ=180°-θ3-θ2=140°-θ2,所以100°<φ<140°,故选项C正确。
答案 C
探究二
对折射率的理解
情境探究
下表是在探究光由真空射入某种透明介质发生折射时得到的实验数据,请在表格基础上思考以下问题:
入射角i 折射角r
10° 6.7° 1.50 1.49
20° 13.3° 1.50 1.49
30° 19.6° 1.53 1.49
40° 25.2° 1.59 1.51
50° 30.7° 1.63 1.50
60° 35.1° 1.71 1.51
70° 38.6° 1.81 1.50
80° 40.6° 1.97 1.51
(1)随着入射角的增大,折射角怎样变化
(2)当入射角与折射角发生变化时,有没有保持不变的量
要点提示 (1)折射角增大。
(2)在误差允许的范围内, 保持不变。
知识归纳
1.折射率的含义:(1)当光由真空射入某种介质时,入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的,但入射角与折射角正弦值的比值是一个常数,即介质的折射率。
(2)不同介质具有不同的常数,说明折射率反映了该介质的光学特性。
2.折射率与光速的关系:(1)光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关,即n= 。(2)由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v,所以任何介质的折射率n都大于1。
3.决定因素:(1)由介质本身及光的性质共同决定,不随入射角、折射角的变化而变化。(2)不同颜色的光对同一介质的折射率不同,按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序依次增大。
典例剖析
例题2光线以60°的入射角从空气射入玻璃中,折射光线与反射光线恰好垂直。(真空中的光速c=3.0×108 m/s)
(1)画出折射光路图;
(2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播速度大小;
(3)当入射角变为45°时,折射角的正弦值是多大
(4)当入射角增大或减小时,玻璃的折射率是否变化
解析 (1)由题意知入射角θ1=60°,反射角θ'=60°,折射角θ2=180°-60°-90°=30°,光路图如图所示。
(4)折射率不会变化,折射率由介质和入射光线的频率决定,跟入射角的大小无关。
技巧点拨解决折射率问题的注意点
(1)在求折射率的问题上,要分清楚入射角与折射角。若光从真空斜射入介质,则n= ;若光从介质斜射入真空,则n= ,其中θ1、θ2分别为入射角和折射角。
(2)所有介质的折射率都大于1。
变式训练2如图所示,一束激光垂直于AC面照射到等边玻璃三棱镜的AB面上。已知AB面的反射光线与折射光线的夹角为90°。光在真空中的传播速度为c。求:
(1)玻璃的折射率;
(2)激光在玻璃中传播的速度。
解析 (1)如图所示,由几何关系知:光在AB界面的入射角θ1=60°,折射角θ2=30°
探究三
光的色散现象
情境探究
如图所示是一束白光照射到三棱镜上后出现的色散现象,请问:玻璃对哪种色光的折射率最大,对哪种色光的折射率最小
要点提示 红光经过棱镜后偏折程度最小,紫光经过棱镜后偏折程度最大,故玻璃对紫光的折射率最大,对红光的折射率最小。
知识归纳
1.复色光发生色散的原因:复色光经过棱镜折射后分散开来,是因为复色光中包含多种颜色的光,各种色光在同一介质中的光速不同,折射率不同,进入棱镜后的偏折程度不同。
2.不同色光在同一介质中的折射率不同,红光的折射率最小,紫光的折射率最大。
典例剖析
例题3如图所示,有一截面是直角三角形的棱镜ABC,∠A=30°,它对红光的折射率为n1,对紫光的折射率为n2,在距AC边d处有一与AC平行的光屏,现有由以上两种色光组成的很细的光束垂直AB边射入棱镜。
(1)红光和紫光在棱镜中的传播速度之比为多少
(2)若两种色光都能从AC面射出,求在光屏MN上两光点的距离。
规律方法 复色光通过三棱镜发生色散的规律
(1)折射率越大,偏折角也越大,经三棱镜折射后,越靠近三棱镜的底部。
(2)折射率大的色光,在介质中传播速度小,复色光经三棱镜折射后,靠近三棱镜顶端的色光的传播速度大,靠近三棱镜底端的色光的传播速度小。
变式训练3如图所示,由红光和紫光组成的复色光由半圆形玻璃砖的表面A点射入,由下表面O点射出,从玻璃砖射入空气的入射角为i,进入空气后分解为两束光OB和OC。则从A点算起,复色光中的 光(选填“OB”或“OC”)先到达O点;光束OC为 光(选填“红”或“紫”)。
解析 由题图可知,光由玻璃到空气,折射角较小的OC光的折射率较小,在玻璃中的传播速度较大,应为红光,先到达O点。
答案 OC 红
当堂检测
1.关于折射率,下列说法正确的是( )
D.以上说法都不对
解析 某种介质的折射率只与介质本身有关,与角度无关,选项A错误;介质的折射率都大于1,选项B错误;由n= 可知,选项C正确,D错误。
答案 C
2.(多选)关于光的折射,下列说法错误的是( )
A.折射光线一定在法线和入射光线所确定的平面内
B.入射光线和法线与折射光线不一定在一个平面内
C.入射角总大于折射角
D.光线从空气斜射入玻璃时,入射角大于折射角
解析 根据折射定律,入射光线、折射光线和法线一定在同一平面内,选项B错误;入射角不一定总大于折射角,选项C错误。
答案 BC
3.如图所示,一束可见光穿过平行玻璃砖后,变为a、b两束单色光。如果光束b是蓝光,则光束a可能是( )
A.红光 B.黄光 C.绿光 D.紫光
解析 连接光的入射点和出射点可知,a光的折射率较大;若b光为蓝光,则折射率更大的a光可能为紫光。
答案 D
4.(多选)一束光从某种介质射入空气中时,入射角θ1=30°,折射角θ2=60°,折射光路如图所示,则下列说法正确的是( )
C.相对于空气此介质是光密介质
D.光在介质中的速度比在空气中大
答案 BC第4章光的折射和全反射
第1节 光的折射
课后篇巩固提升
必备知识基础练
1.(多选)光从某介质射入空气,入射角θ1从零开始增大到某一值的过程中,折射角θ2也随之增大,则下列说法正确的是( )
A.比值不变
B.比值不变
C.比值是一个大于1的常数
D.比值是一个小于1的常数
解析因折射率不变,可知不变,A错误,B正确;又因为入射角小于折射角,所以<1,C错误,D正确。
答案BD
2.若某一介质的折射率较大,那么( )
A.光由空气射入该介质时折射角较大
B.光由空气射入该介质时折射角较小
C.光在该介质中的速度较大
D.光在该介质中的速度较小
解析由n=可知,光由空气射入介质时的折射角是由折射率n和入射角θ1共同决定,因此选项A、B错误;由n=可知,介质的折射率越大,光在该介质中的速度越小,故选项C错误,D正确。
答案D
3.
(多选)如图所示,光在真空和某介质的界面MN上发生偏折,那么下列说法正确的是( )
A.光是从真空射向介质
B.介质的折射率约为1.73
C.光在介质中的传播速度约为1.73×108 m/s
D.反射光线与折射光线成60°
解析因为折射角大于入射角,所以光是从介质射向真空的,选项A错误;据折射率公式n=,所以n≈1.73,选项B正确;再由折射率n=,代入数据得v≈1.73×108 m/s,选项C正确;反射光线与折射光线成90°角,选项D错误。
答案BC
4.光线由空气射向某介质,当入射角为i时,折射光线与反射光线正好垂直,那么这种介质的折射率和光在该介质中的速度分别为( )
A.n=sin i,v=c·sin i
B.n=tan i,v=c·tan i
C.n=tan i,v=
D.n=cos i,v=
解析由于折射光线与反射光线正好垂直,所以折射角r=90°-i,则n==tan i,A、D项错误;又n=,故v=,B项错误,C项正确。
答案C
5.
如图所示,一束单色光射入一玻璃球体,入射角为60°,已知光线在玻璃球内经一次反射后,再次折射回到空气中时与入射光线平行。此玻璃的折射率为( )
A. B.1.5 C. D.2
解析
根据题意画出光的传播光路图如图所示。作OD使其与入射光和出射光平行,由几何知识得∠AOB=60°+60°=120°,所以∠ACB=60°,得到折射角为30°,所以n=。
答案C
6.现已有针对某些电磁波设计制作的人工材料,其折射率可以为负值(n<0),称为负折射率材料。位于空气中的这类材料,入射角i与折射角r依然满足=n,但是折射线与入射线位于法线的同一侧(此时折射角取负值)。现空气中有一上下表面平行的负折射率材料,一束电磁波从其上表面射入,下表面射出。若该材料对此电磁波的折射率n=-1,正确反映电磁波穿过该材料的传播路径的示意图是( )
解析根据题目所给负折射率的意义,入射角与折射角应该在法线的同一侧;折射率等于-1,说明折射角与入射角大小相等,B项正确,A、C、D项错误。
答案B
7.
如图所示,直角三棱镜ABC的一个侧面BC紧贴在平面镜上,∠BAC=β。从点光源S发出的一细光束SO射到棱镜的另一侧面AC上,适当调整入射光SO的方向。当SO与AC成α角时,其折射光与镜面发生一次反射,从AC面射出后恰好与SO重合,则此棱镜的折射率为 。
解析根据题意可知,光在AC上发生折射,入射角为-α,折射角为-β,根据折射定律可得折射率n=。
答案
8.
如图所示,一根竖直插入水中的杆AB,在水中部分长1.0 m,露出水面部分长0.3 m,已知水的折射率为,则当阳光与水平面成37°时,杆AB在水下的影长为多少
解析光路如图所示。
由题意可得入射角为53°
由折射定律
=n
则θ2=37°,由几何关系得影长
s=0.3 m·tan 53°+1 m·tan 37°=1.15 m。
答案1.15 m
关键能力提升练
9.
为了观察门外情况,有人在门上开一小圆孔,将一块圆柱形玻璃嵌入其中,圆柱体轴线与门面垂直,如图所示。从圆柱底面中心看出去,可以看到门外入射光线与轴线间的最大夹角称为视场角。已知该玻璃的折射率为n,圆柱长为l,底面半径为r,则视场角的正弦是( )
A. B.
C. D.
解析光路图如图所示。
n=,sin α=
所以sin i=nsin α=,B对。
答案B
10.一束由红、蓝两单色光组成的复色光以入射角θ由空气射到半圆形玻璃砖表面的A处,AB是半圆的直径,进入玻璃后分为两束,分别为AC、AD。它们从A到C和从A到D的时间分别为t1和t2,则( )
A.AC是蓝光,t1小于t2 B.AC是红光,t1小于t2
C.AC是蓝光,t1等于t2 D.AC是红光,t1大于t2
解析AC光的偏折程度比较大,则介质对AC光的折射率比较大,AC光的频率比较大,所以AC光应是蓝光,设折射光与法线方向成α角,折射光在介质中的传播速度为v=,则有2Rsin α=vt=t,又n=,由以上两式得:t=,可知,AC光与AD光的传播时间相等,故C正确。
答案C
11.
如图所示,井口大小和深度相同的两口井,一口是枯井,一口是水井(水面在井口之下),两井底部各有一只青蛙,则( )
A.水井中的青蛙觉得井口大些,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星
B.枯井中的青蛙觉得井口大些,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星
C.水井中的青蛙觉得井口小些,晴天的夜晚,枯井中的青蛙能看到更多的星星
D.两只青蛙觉得井口一样大,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星
解析根
据边界作出边界光线,如图所示。水井中的青蛙相当于枯井中离开井底一定高度的青蛙看向井口和天空,β>α,所以水井中的青蛙会觉得井口大些,且可看到更多的星星,故选项A正确,B、C、D错误。
答案A
12.
一半径为R的球体放置在水平桌面上,球体由折射率为的透明材料制成。现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线,平行于桌面射到球体表面上,折射入球体后再从竖直表面射出,如图所示。已知入射光线与桌面的距离为。求出射角θ。
解析如
图所示,设入射光线与球体的交点为C,连接OC,OC即为入射点的法线。因此,图中的角α为入射角,过C点作球体水平表面的垂线,垂足为B,依题意,∠COB=α,
又由△OBC知sin α=, ①
设光线在C点的折射角为β,由折射定律得
②
由①②式得β=30°。
由几何关系知,光线在球体的竖直表面上的入射角γ为30°。由折射定律得,因此sin θ=,解得θ=60°。
答案60°
13.
如图所示,两面平行的玻璃砖下表面涂有反射物质,一束与上表面成30°角入射的单色光,在右端垂直标尺上形成了A、B两个光斑,A、B间距为4 cm,已知玻璃砖的折射率为。
(1)画出形成两光斑的光路图;
(2)求此玻璃砖的厚度d。
解析(1)光路图如图所示。
(2)光束入射角i=90°-30°=60°
设折射角为r,n=,由几何关系有BO=EO·tan 30°,AO=CO·tan 30°,AB=AO-BO=(CO-EO)·tan 30°=CE·tan 30°。且CE=2dtan r,代入数据解得d=6 cm。
答案(1)见解析图 (2)6 cm
14.
如图所示,一等腰直角三棱镜放在真空中,斜边BC=d,一束单色光以60°的入射角从AB侧面的中点入射,折射后从侧面AC折射出。已知三棱镜的折射率n=,单色光在真空中的光速为c,求:
(1)第一次折射时的折射角;
(2)此单色光在三棱镜中的传播速度大小;
(3)此单色光通过三棱镜的时间。
解析(1)
单色光在AB面上发生折射,光路如图所示。根据折射定律得n=,n=
由以上两式得α=45°。
(2)光在棱镜中的速度v=。
(3)因α=45°,故光在棱镜内传播的路径DE与BC平行,且DE=BC=d,所以,t=。
答案(1)45° (2) (3)
