4.1光的折射（学案）-2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第一册

4.1 光的折射
学习目标
1、认识光的反射及折射现象。
2、理解折射定律，会利用折射定律解释相关光现象和计算有关问题。
3、理解折射率的概念，会测量材料的折射率。
重点难点
1、理解光的折射、入射角、折射角、反射角、法线。（重点）
2、理解折射定律，会利用折射定律计算。（重点）
3、理解折射率的概念，会测量玻璃的折射率。（难点）
4、会用光的折射解释自然现象。（难点）
自主探究
一、折射定律
1、光的反射现象：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象。
2、光的反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，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。如图所示。
3、光的折射现象：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会进入第2种介质的现象。
4、光的折射定律：折射光线、入射光线与法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比。即＝n12。
5、在光的反射和折射现象中光路是可逆的。
二、折射率
1、绝对折射率：光从真空中射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，n＝，其中θ1为真空中的入射角。
2、物理意义：反映介质光学性质的物理量。不同的介质有不同的折射率。
3、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与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝，由于光在真空中的传播速度c大于在任何介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1。
探究思考
一、折射定律的理解与应用
1、光的方向
光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化（斜射），并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化。
垂直于界而入射，折射光线不偏折，但传播速度仍变化。
射向半圆形玻璃砖圆心的光线不发生偏转。
2、光的传播速度
光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但光传播的速度发生变化，也属于折射。
3、入射角与折射角的大小关系
光从一种介质进人另一种介质时，折射角与人射角的大小关系由两种介质的折射率大小决定。当光从真空斜射入介质时，入射角大于折射角；当光从介质斜射入真空时，入射角小于折射角。
二、折射率的理解
1、物理意义
折射率反映了介质对光的“偏折”本领。折射率大，说明光从真空射入到该介质时偏折大，反之偏折小。
2、定义式
，折射率由介质本身的光学性质和光的频率决定。
说明：（1）不论是光从真空射入介质，还是从介质射入真空，总是真空中的光线与法线间的夹角，总是介质中的光线与法线间的夹角。因＞，故n>1。
（2）折射率由介质本身性质决定，与入射角的大小无关。不能说n与成正比、与成反比。
（3）折射率与介质的密度没有关系。
3、公式
；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播速度v之比。
因，故任何介质的折射率总大于1。光在不同介质中的传播速度不同。
4、相对折射率
光从介质1射入介质2时，入射角与折射角的正弦之比叫作介质2对介质1的相对折射率。光从真空射入介质的情况属于特例。
示例 平行玻璃砖、三棱镜和圆柱体（球）对光路的控制
平行玻璃砖 三棱镜 圆柱体（球）
结构 玻璃砖上下表面是平行的 横截面为三角形的三棱镜 横截面是圆
对光线的作用 通过平行玻璃砖的光不改变传播方向，但要发生侧移 通过三棱镜的光经两次折射后，出射光线向棱镜底边偏折 圆界面的法线是过圆心的直线，经过两次折射后向圆心偏折
应用 测定玻璃的折射率 全反射棱镜，改变光的传播方向 改变光的传播方向
【典例一】1、如图所示，等腰三角形为一棱镜的横截面，顶角为。一束光线从边入射，从边射出，已知入射光线与边的夹角和出射光线与边的夹角相等，入射光线与出射光线的夹角也为。则该棱镜的折射率为( )
A． B． C． D．
解题思路：光在介质中传播的光路图如图所示：
根据题意可知，所以，
根据几何知识有,，
根据折射定律可知,折射率为：，故ABC错误，D正确。
故选：D。
答案：D
三、插针法测玻璃砖的折射率
如图所示，当光以一定的角度透过一块玻璃砖时，只要找出与入射光线相对应的出射光线，就能够画出光从空气射入玻璃砖后的折射光线，于是就能测量入射角和折射角。根据折射定律，就可以求出玻璃砖的折射率。
【典例二】2、在“测玻璃的折射率”实验中：
（1）为了取得较好的实验效果，下列操作正确的是______。
A．必须选用上下表面平行的玻璃砖；
B．选择的入射角应尽量小些；
C．大头针应垂直地插在纸面上；
D．大头针和及和之间的距离适当大些
（2）甲同学在量入射角和折射角时，由于没有量角器，在完成了光路图以后，以点为圆心，为半径画圆，交延长线于点，过点和点作垂直法线的直线分别交于点和点，如图所示，若他测得，，则可求出玻璃的折射率______。
（3）乙同学使用同一个玻璃砖完成实验，却发现测出的折射率明显大于理论值，反复检查实验操作过程后认为是用铅笔描出玻璃砖上下表面时候出现了操作失误，由此可以判断该同学作出的两界面间距______玻璃砖的实际宽度。（选填“大于”、“小于”）
解题思路：(1)A、作插针法测定折射率时,玻璃砖上下表面不一定要平行。故A错误。
B.为了减小测量的相对误差，选择的入射角应尽量大些，效果会更好。故B错误。
C.为了准确确定入射光线和折射光线，大头针应垂直地插在纸面上；故C正确。
D.大头针和及和之间的距离适当大些时，相同的距离误差，引起的角度误差会减小，效果会好些。故D正确。
故选：CD.
(2)如图，实线是真实的光路图，虚线是玻璃砖宽度画大后的光路图，由图看出，在这种情况测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小。
(3)图中作为入射光线,是折射光线,设光线在玻璃砖上表面的入射角为i,折射角为r,则由几何知识得到：又,则折射率。
答案：(1)CD
(2)1.75
(3)小于
随堂训练
1、某地下工事壁距地面的厚度为，为了从工事内部更好地观察外界的目标，需在工事壁上开个竖直的圆柱形孔，并在孔内嵌入折射率的玻璃砖，如图所示。要使工事内部人员观察到外界视野的最大张角为，则这个圆柱形孔的直径至少为( )
A. B. C. D.
答案：A
2、是一直角三棱镜的横截面，。一细光束从边以平行于边的方向入射后直接射到边，恰好在边发生全反射，则棱镜的折射率为( )
A． B． C． D．
答案： A
3、如图所示,在玻璃砖上方S点发射出的一激光束从A点射入玻璃砖,光线与玻璃砖上表面夹角为30°,光线射出玻璃砖后落在光屏上的P点,玻璃砖厚度,光源到光屏的垂直距离,已知P点与S到光屏的垂足C间的距离为。则该玻璃砖的折射率为( )
A. B. C. D.
答案：B
4、如图所示为一束光线穿过介质Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时的光路，则( )
A.介质I的折射率最大
B.介质Ⅱ的折射率最大
C.介质Ⅲ的折射率最大
D.光在介质Ⅱ中传播速度最大
答案：CD
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