(共35张PPT)
第四章
2
专题：测量玻璃的折射率
1
知道测量玻璃的折射率的原理、方法和步骤，会确定入射光线和折射光线，会确定入射角和折射角，会计算折射率.
2
知道实验误差产生的原因和减小误差的方法.
重点
难点
3
学会用不同方法计算玻璃的折射率.
重难点
如图为几种介质的折射率，我们发现不同介质对光的折射能力不同。
玻璃是生活中随处可见的一种透明介质，光从空气入射到玻璃的界面上会发生折射，我们应该如何测量玻璃的折射率？
需要直接测量光从空气射入玻璃的入射角和折射角
一、实验思路
1.实验目的
掌握测定玻璃折射率的方法，加深对折射定律的理解.
2.实验原理
(1)根据两点确定一条直线作出光路.
(2)用“插针法”确定光路，找出入射光线及相应的出射光线，画出玻璃砖中对应的折射光线，用量角器分别测出入射角θ1和折射角θ2，根据折射定律n＝ 便可求出玻璃的折射率.
3.物理量的测量：入射角θ1和折射角θ2
二、实验器材
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉(3～4枚)、量角器、直尺、铅笔.
三、实验步骤
1.把白纸用图钉钉在木板上.
2.用直尺画一条平行于玻璃砖一个面的一条直线aa′作为界面，过aa′上一点O作垂直于aa′的直线NN′作为法线，过O点画一条入射光线AO，使入射角θ1适当大些，如图所示.
3.在AO线上竖直地插两枚大头针P1、P2，在白纸上放上被测玻璃砖，使玻璃砖的一个面与aa′重合.
4.沿玻璃砖的另一侧面用直尺画一条直线bb′.
P1、P2间距适当大一些，不要靠的太近。
5.在玻璃砖bb′一侧白纸上竖直地立一枚大头针P3，调整视线，同时移动大头针P3的位置，当P3恰好能同时挡住玻璃砖aa′一侧所插的大头针P1、P2的像时，把大头针P3插好.
6.在玻璃砖bb′一侧再竖直地插一枚大头针P4，使P4能挡住P3，同时也能挡住P1、P2的像.
P3、P4间距同样适当大一些
7.记下P3、P4的位置，移去玻璃砖，拔去大头针，过P3、P4连一条直线BO′交bb′于O′点，连接OO′，OO′就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线，折射角为θ2.
8.用量角器量出入射角θ1和折射角θ2的大小.
9.改变入射角θ1，重复上面的步骤再做三、四次，量出相应的入射角和折射角.
四、数据分析
1.计算法：通过多次测量入射角和折射角，得出多组入射角和折射角的
正弦值，再代入n＝ 中求出多个n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率.
实验次数 入射角θ1 sin θ1 折射角θ2 sin θ2
1
2 3 2.图像法：求出多组对应的入射角与折射角的正弦值，作出sin θ1－sin θ2图像，由n＝ 可知图像应为一条过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率.
3.单位圆法
(1)以入射点O为圆心，以一定长度R为半径画圆，交入射光线OA于E点，交折射光线OO′于E′点，过E作NN′的垂线EH，过E′作NN′的垂线E′H′，分别交NN′于点H、H′，如图所示.
五、注意事项
1.所用玻璃砖要适当厚一些.
2.实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动.
3.不能用手触摸玻璃砖光洁的光学面，更不能把玻璃砖当尺子用.
4.大头钉应竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针P1与P2、P3与P4间的距离应适当大些，以减小确定光路方向时造成的误差.
5.实验中入射角不宜过小或过大，否则会使测量误差增大.
六、实验误差分析
1.误差来源
本实验误差的主要来源是测量光在玻璃中的折射角θ2的误差．
2.减小误差的方法
(1)选用宽度较大的玻璃砖，玻璃砖宽度宜在5 cm以上，若宽度太小则测量误差较大．
(2)入射角宜在15°～75°范围内．
(3)在纸上画aa′，bb′两条线时，应尽量准确地与玻璃砖的两个平行的折射面重合，这样，两交点O、O′才能与光线的实际入射点和出射点较好地相符，否则将使画出的玻璃中的光路与实际情况偏离．
圆形刻度盘下方有一半圆形玻璃砖，红色激光器对准玻璃砖与空气分界面的圆心处，改变入射角度，同时记录几组对应的入射角与折射角。进行数据处理。也可以求出玻璃砖的折射率。
创新方案：使用激光器测量折射率
导练
1.(2022·北京顺义高二期末)如图所示，在“测量玻璃的折射率”实验中，下列说法正确的是
A.为了提高实验的准确度，必须选用两光学表面
平行的玻璃砖
B.判断像与针是否在同一直线时，应该观察大头
针的头部
C.大头针P1与P2、P3与P4的间距适当远一些，可以减小实验误差
D.在白纸上放好玻璃砖后，首先要用铅笔贴着玻璃砖的光学面画出边界
√
光学表面是否平行不影响该实验的准确度，A错误；
判断像与针是否在同一直线时，应观察大头针的整个部分，不能只观察大头针的头部，B错误；
大头针P1与P2、P3与P4的间距适当远一些，可以减小实验误差，C正确；
用铅笔贴着玻璃砖的光学面画出边界可能会损坏光学面，D错误.
2.如图所示，当光线AO以一定入射角穿过一块两面平行的玻璃砖时，通过“插针法”找出与入射光线AO对应的出射光线O′B，从而确定折射光线OO′.
(1)如图甲所示，用量角器量出入射角i和折射角r，根据n＝______可计算出玻璃砖的折射率.
(2)如图乙所示，以O为圆心，用圆规作圆与OA、OO′分别交于P、Q点，过P、Q点分别作法线NN′的垂线，垂足分别为P′、Q′，用刻度尺测量出PP′和QQ′的长度，则玻璃砖的折射率
n＝_______.
3.用三棱镜做测量玻璃的折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插入两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P1、P2的像和P3，在纸上标出大头针的位置和三棱镜轮廓，如图所示.
(1)在图上画出所需的光路图；
答案 见解析
光路图如图所示，画出通过P1、P2的入射光线，交AC于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB于O′，连接OO′，则光线OO′就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线.
(2)为了测出该三棱镜的折射率，需要测量的物理量是________，在图上标出它们；
答案 见解析
在所画的图上画出虚线部分，并注明入射角θ1和折射角θ2，用量角器量出θ1和θ2的大小(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度).
(3)计算折射率的公式是n＝________.
答案 见解析
总结提升
测定玻璃折射率的基本思路
(1)确定一条从空气斜射入玻璃砖(或者从玻璃砖斜射入空气)的光路.
(2)通过作图确定入射角和折射角.
4.如图(a)所示，甲同学在“测量玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa′和bb′.O为直线AO与aa′的交点，甲同学经正确操作插好了四枚大头针P1、P2和P3、P4.
(1)过P3、P4作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′
的直线NN′，连接OO′.测量图中角α和β的大小，则
玻璃砖的折射率n＝______.
(2)如图(b)所示，甲同学在实验中将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽但仍平行.若其他操作正确，则折射率的测量值______(选填“大于”“小于”或“等于”)准确值.
小于
(3)甲同学准确地画好玻璃砖界面aa′和bb′后，实验过程中不慎将玻璃砖向下平移了一些.如图(c)所示，若其他操作正确，则折射率的测量值______(选填“大于”“小于”或“等于”)准确值.
等于
如图所示，实线表示将玻璃砖向下平移后实际的光路图，而虚线是作图时所采用的光路图，通过比较发现，入射角和折射角没有变化，则由折射定律知，折射率的测量值等于准确值.
(4)乙同学采用的是梯形玻璃砖，在纸上画出的界面aa′，bb′与玻璃砖的位置如图(d)所示，实验过程和操作均正确，则折射率的测量值______(选填“大于”“小于”或“等于”)准确值.
等于
只要操作正确，测量的结果与玻璃砖的形状无关，所以乙同学测得的折射率等于准确值.
总结提升
求其他形状玻璃砖的折射率
“测量玻璃的折射率”实验中，也可以用三棱镜、半圆形玻璃砖等进行测量.实验中只要利用“插针法”定出入射光线和出射光线，其与界面的交点就是入射点和出射点，连接入射点和出射点就能作出折射光线，一样可以测出折射率.光路图如图所示.
5.某同学测量玻璃砖的折射率，准备了下列器材：激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有反射膜的平行玻璃砖.如图所示，直尺与玻璃砖平行放置，激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖表面，在直尺上观察到A、B两个光点，读出OA间的距离为20.00 cm，AB间的距离为6.00 cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离d1＝10.00 cm，玻璃砖厚度d2＝4.00 cm.玻璃的折射率n＝____，光在玻璃中的传播速度v＝________ m/s(光在真空中的传播速度c＝3.0×108 m/s，结果均保留两位有效数字).
1.2
2.5×108
作出光路图如图所示，
根据几何知识可得入射角i＝45°，
设折射角为r，
实验：测量玻璃的折射率
一、实验思路
二、实验器材
三、实验步骤
四、数据分析
五、误差分许与注意事项
实验原理：
1.公式法（平均值法）
2.图像法：作sin θ1－sin θ2图像，其斜率为折射率
3.单位圆法
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉(3～4枚)、量角器、直尺、铅笔．
1.固定白纸 2.确定光路图
3.测量入射角和折射角 4.重复实验(共25张PPT)
第四章
4
专题：光的折射与全反射
1
熟练掌握不同色光折射和全反射的规律.
2
熟练运用几何关系找出边、角关系，并根据反射定律、折射定律解决有关问题.
重点
难点
不同色光的折射和全反射的比较
观察与思考
1.光的色散
(1)定义：含有多种颜色的光(复色光)被分解为单色光的现象.
(2)光的颜色由频率决定，与介质无关.由光速c ＝λf知，不同颜色的光，波长不同.
(3)白光是复色光，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫
七种颜色的光组成，从红到紫频率依次增大.
2.折射时的色散
一束白光通过三棱镜分散为七色光，其中红光在上紫光在下，如图所示.说明同种介质对不同色光的折射率不同.对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大.频率越大，光的折射率越大.
3.不同色光的比较
可见光中，由于不同颜色光的频率并不相同，它们在发生折射和全反射时也有许多不同，如下表：
颜色 项目 红橙黄绿青蓝紫
频率 低→高
波长 大→小
同一介质中的折射率 小→大
大→小
大→小
通过棱镜的偏折角 小→大
导练
1.(2022·达州一中月考)很多公园的水池底部都装有彩灯，当一细束由红蓝两色组成的灯光，从水中斜射向空气时，关于光在水面可能发生的反射和折射现象，下列光路图中正确的是
√
2.(多选)(2021·辽宁高二期中)中国历史上有很多古人对很多自然现象有深刻认识.张志和在《玄真子·涛之灵》中写道：“雨色映日而为虹”.从物理学角度看，虹是太阳光经过雨滴的两次折射和一次反射形成的.如图是彩虹成因的简化示意图，其中a、b是两种不同频率的单色光，则关于这两种色光，下列说法正确的是
A.在同种玻璃中传播，a光的波长一定小于b光波长
B.在同种玻璃中传播，a光的传播速度一定小于b光的速度
C.以相同角度斜射到同一玻璃板，透过两个平行的表面
后，a光侧移量大
D.以相同的入射角从水中射入空气，若在空气中只能看到一种频率的光，
则一定是a光
√
√
√
光线斜射到玻璃表面，折射光偏转程度越大，偏移量越大，即a光侧移量大，选项C正确；
几何光学的综合问题
观察与思考
几何光学就是以光线为工具，研究光的传播规律.解几何光学的题目，首先根据几何光学的基本原理画出光路图，然后利用几何关系找出相应的角、边关系.
几何光学研究的是光线传播的规律，主要包括五条基本规律.
(1)光的直线传播规律：光在同一种均匀介质中沿直线传播.
(2)光的反射定律
①反射光线与入射光线、法线在同一平面内，反射光线、入射光线分居在法线两侧.
②反射角等于入射角.
(3)光的折射定律
折射光线与入射光线、法线在同一平面内，折射光线与入射光线分居在
法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比.公式：n12＝ .
(4)光的全反射规律
发生全反射的条件是：
①由光密介质射向光疏介质；
②入射角θ≥临界角C，其中sin C＝ .
(5)光的可逆原理
在光的反射、折射和直线传播中，光路都是可逆的.
导练
3.如图所示，一个三棱镜的横截面是直角三角形ABC，∠A＝30°，∠C＝90°，一束与BC面成θ＝30°角的光线射向BC面的中点O处，经AC面发生全反射后，最后从AB面射出，出射光线平行于AC面.已知光在真空中传播速度为c.
(1)求玻璃砖的折射率；
设玻璃砖的折射率为n，由题意可知光路图如图所示，
由折射定律，在BC面上有sin 60°＝nsin r
因在AC面发生全反射，由几何关系知∠ODC＝∠DOM＝∠EDF＝r，
而∠EFA＝60°，在AB面上由折射定律sin 60°＝nsin∠DEF，则∠DEF＝r，
故2r＝60°，则r＝30°.
(2)若BC边长为L，求光线经过玻璃砖的时间.
4.老师上课喜欢用红色激光笔，它发出的红光用来投映一个光点或一条光线指向物体，如图甲所示，AB为半圆的直径，O为圆心，在O点左侧用红色激光笔从E点垂直AB射入的红光进入半球形介质后在上表面的入射角恰好等于全反射的临界角C＝45°.
(1)求半球形介质的折射率；
答案 45° 30°
光线沿AB方向射向内球面，刚好发生全反射，在B点的入射角等于临界角C.
则A点处光线的折射角r＝30°
得A点处光线的入射角i＝45°.
总结提升
解决几何光学问题的基本思路
2.画光路图，利用几何知识分析边、角关系并注意判断能否发生全反射.根据折射定律、全反射规律、正弦定理、三角函数等进行有关计算.
视深与实际深度的关系问题
观察与思考
(1)视深是人眼垂直物体界面看透明物质内部某物体的像离界面的距离.在中学阶段，只研究沿着界面的法线方向进行观察的问题.
思考与讨论
河中有条小鱼，某时刻小鱼的实际深度为H，一人从水面正上方往水中看，他感觉到的小鱼的深度为多深？(设水的折射率为n，在角度很小的情况下，sin θ≈tan θ)
答案 如图所示，设小鱼在S处，从鱼身上反射的一条光线SO垂直水面射出，反射出的另一条光线SO1与SO间的夹角很小，则θ2、θ1为一组对应的入射角和折射角，θ1、θ2均很小.
由数学知识可知
总结提升(共26张PPT)
第四章
9
章末复习
1
理解光的折射定律，会计算折射率，了解全反射的应用.
2
掌握光的干涉和衍射知识及明暗条纹的判断方法.
3
掌握测量玻璃的折射率实验及光的双缝干涉实验.
重难点
重难点
重点
几何光学
观察与思考
1.常见光学介质模型：
类别 项目 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线不改变传播方向，但要发生侧移 通过三棱镜的光线经两次折射后，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
2.分析几何光学综合问题的基本思路
(1)判断光线是从光疏介质进入光密介质还是从光密介质进入光疏介质.
(2)判断是否发生全反射现象，即入射角是否大于等于临界角.
(3)画出反射、折射或全反射的光路图，然后结合几何知识进行推断和求解相关问题.
3.求光的传播时间的一般思路
(2)全反射现象中，光的传播路程应结合光路图与几何关系进行确定.
导练
A.出射光线的频率变小
B.改变入射角α的大小，细激光束可能在玻璃球的内表面发生全反射
D.激光束的入射角为α＝45°
√
光在不同介质中传播时，频率不会发生改变，所以出
射光线的频率不变，故A错误；
激光束从C点进入玻璃球时，无论怎样改变入射角，折射角都小于临界角，根据几何知识可知光线在玻璃球内表面的入射角不可能大于临界角，所以不可能发生全反射，故B错误；
(1)光学元件的折射率n；
作出光路图如图所示
由几何知识得E点处入射角为i＝60°
折射角r为30°，
(2)光线在AB边是否发生全反射；
答案 光线在AB边发生全反射
由几何知识得光线在AB边的入射角为θ＝60°
所以光线在AB边将发生全反射.
(3)光线在光学元件内传播时间t(不考虑光的多次反射).
由几何知识知光线在AD边入射角为30°，所以光线将从AD边的G点射出
EF＝2Rcos 30°
2FGcos 30°＝AF
3.(2022·河北卷)如图，一个半径为R的玻璃球，O点为球心.球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ＝30°.光在真空中的传播速度为c.求：
(ⅰ)玻璃的折射率；
光路图如图所示，
根据几何关系可知i1＝θ＝30°，i2＝60°
(ⅱ)从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间.
根据几何关系可知当θ＝45°时，即光路为圆的内接正方形，
从S发出的光线经多次全反射回到S点的时间最短，
物理光学
观察与思考
1.双缝干涉
(1)图样特点：单色光照射时，形成明暗相间的等间距的干涉条纹；白光照射时，中央为白色亮条纹，其余为彩色条纹.
(3)明暗条纹的判断方法：
如图所示，相干光源S1、S2发出的光到屏上P′点的路程差为Δr＝r2－r1.
当Δr＝kλ(k＝0，1，2…)时，光屏上P′处出现明条纹.
2.薄膜干涉
(1)明暗条纹的判断方法：
两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr，等于薄膜厚度的2倍.
在P1、P2处，Δr＝nλ(n＝1，2，3…)，薄膜上出现明条纹.
(2)薄膜干涉条纹特点
①单色光：明暗相间的水平条纹.
②白光：彩色水平条纹.
导练
4.(2022·湖南衡阳市高二期末)关于光的特性，下列描述正确的是
A.一束自然光通过两个相互垂直的偏振片后没有光了，说明光是纵波
B.雨后路面上的油膜形成彩色的条纹，是光的衍射现象
C.光照射到不透明的小圆盘上，在小圆盘背后阴影区出现泊松亮斑是光
的衍射现象
D.分别用单色红光和单色绿光通过同一双缝干涉装置，后者条纹间距较宽
√
一束自然光通过两个相互垂直的偏振片后没有光了，说明光是横波，A错误；
雨后路面上的油膜形成彩色的条纹，是光的薄膜干涉现象，B错误；
光照射到不透明的小圆盘上，在小圆盘背后阴影区出现泊松亮斑是光的衍射现象，C正确；
5.(多选)(2022·山东卷)某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝S1、S2的宽度可调，狭缝到屏的距离为L.同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙、图丙所示图样.下列描述正确的是
A.图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射
B.遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大
C.照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大
D.照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，
P点处一定是暗条纹
√
√
√
题图乙中间部分为等间距条纹，所以
题图乙是光的双缝干涉图样，当光通
过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；
狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，题图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；
照射两条狭缝时，若光从狭缝S1、S2到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确.
光学实验
导练
6.(2022·山东泰安市期中)(1)如图所示，用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，下列说法中正确的是____.
A.若P1 、P2 的距离较大，通过玻璃砖会看不到
P1 、P2的像
B.为减小测量误差，P3 、P4的距离适当取大些
B
即使P1、P2的距离较大，通过玻璃砖仍然可以看到P1、P2的像，选项A错误；
为了减少作图误差，P3和P4的距离应适当取大些，选项B正确；
(2)在该实验中，光线是由空气射入玻璃砖，根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图线如图所示，从图线可知玻璃砖的折射率是_____.
1.5
(3)该实验小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再
过A、B点作NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图甲所示，则
玻璃的折射率n＝_____(用图中线段的字母表示)；进一步测得所
需数据分别为1.68 cm和1.12 cm，则该玻璃砖的折射率为_____.
1.5
甲
(4)在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图乙(a)、(b)所示，他们的其他操作均正确，且均以aa′、bb′为界面作光路图.则甲同学测得的折射率与真实值相比______(填“偏大”“偏小”或“不变”)；
乙同学测得的折射率与真实值相比______(填
“偏大”“偏小”或“不变”)
偏小
不变
乙
题图乙(a)甲同学测定折射率时，作出的折射光线如图中虚线所示，
实线表示实际光线，可见折射角增大，
则由折射定律可知，折射率将偏小；
题图乙(b)乙同学测折射率时，主要操作正确，与玻璃砖形状无关，
故乙同学测得的折射率与真实值相比不变.
