人教版高中物理选择性必修第一册第四章光4.1光的折射教学课件（35页PPT）

(共35张PPT)
4.1 光的折射
光给世界带来光明，使我们能看清周围的景物，进行各种活动;光从太阳、星球射到我们这里，给我们带来了宇宙空间的信息，使我们能够认识字宙;光从原子、分子内部发射出来，使我们认识了微观世界的奥秘。光学既是物理学中一门古老的学科,又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一具有强大的生命力和不可估量的发展前景。
按照不同的研究目的，光学可以粗略地分为两大分支：一支利用几何学的概念和方法研究光的传播规律，称为
几何光学;另一支主要研究光的本性以及
光与物质相互作用的规律，通常称为物
理光学。
固执于光的旧有理论的人们，最好是从它自身的原理出发，提出实验的说明，并且，如果他的这种努力失败的话，他应该承认这些事实。
——托马斯·杨
托马斯·杨(Thomas Young，1773-1829)，英国物理学家、考古学家、医生，光的波动说的莫基人之一。
阳光照射水面时，我们能够看到水中的鱼和草，同时也能看到太阳的倒影，这说明：光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分光返回到空气中。一般来说，光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫作光的反射；另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫作光的折射(图4.1-1)。
光在反射时遵从反射定律，光在折射时遵从什么规律呢
一 、折射定律
如图4.1-2，让一束光由一种介质斜着射向另一种介质，例如，从空气射向水中，入射光线与法线的夹角 θ1 称为入射角，折射光线与法线的夹角 θ2 称为折射角。
明确基本概念
折射定律和反射定律在形式上会相同吗？
折射光线与入射光线和法线是否在同一平面上？
折射光线与入射光线是否位于法线的两侧？
折射角与入射角是否相同？
√
√
×
光在折射时，折射角与入射角之间会有什么定量的关系？
我们可以通过做类似图 4.1-2 所示的实验，测量多个入射角和折射角，找出这些数据之间的关系。
折射角和入射角存在什么关系呢？
光由空气射入水中时：
入射角_____折射角
光由水中射入空气时：
入射角_____折射角
光垂直射入时：
入射角_____折射角
＞
＜
＝
1621年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量实验数据后，找到了两者之间的关系，并把它总结为光的折射定律：
折射光线与入射光线、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
式中 n12 是比例常数，它与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关。
我们在初中学过的透镜就是根据光的折射原理制成的。
海市蜃楼
透镜
事实表明，当光从水中斜射入空气时也会发生偏折，而且当光线沿图 4.1-2 中 BO 的方向进人空气时，折射光线必沿 OA 的方向射出。也就是说，与光的反射现象一样，在光的折射现象中，光路也是可逆的。
二 、折射率
下面我们讨论光从真空射入介质的情形。这时，(1)式中的常数 n12 可以简单地记为 n。
在折射定律中 n12 是比例常数，与入射角、折射角大小无关，只与两种介质的性质有关。
考虑从真空中射入介质的情形。通过实验发现，对不同的介质，比例常数 n12 是不同的。
在实际应用中，遇到最多的情形是光从空气射入某种介质，或从某种介质射入空气，而空气对光的传播的影响很小，可以作为真空处理。
对于不同的介质来说，常数 n 是不同的。例如，光从真空射入水中时，n＝1.33；光从真空射入某种玻璃时 n＝1.50。可见常数 n 与介质有关系，是一个反映介质的光学性质的物理量。常数 n 越大，光线以相同入射角从真空斜射入这种介质时偏折的角度越大。
光从真空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，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号 n 表示。真空的折射率为1，空气的折射率近似为1。
折射率 n 与介质有关系，是一种反映介质光学性质的物理量。
研究表明，光在不同介质中的传播速度不同；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
由于光在真空中的传播速度 c 大于光在任何介质中的传播速度 v，因而任何介质的折射率都大于1。所以，光从真空射入任何介质时，sin θ1 都大于 sin θ2，即入射角总是大于折射角。
下表列出了几种介质的折射率。
表 几种介质的折射率(λ＝589.3 nm t＝20℃)
折射率是衡量材料光学性能的重要指标。根据折射定律，可以测量材料的折射率。
测量玻璃的折射率
根据光的折射定律，测量玻璃折射率的关键是想办法测量出入射角和折射角，为此必须要确定一条光路。怎样确定光路呢 请说出你的想法。
一种方法如图4.1-3所示，当光以一定的入射角透过一块两面平行的玻璃砖时，只要找出与入射光线 AO 相对应的出射光线O′D，就能够画出光从空气射入玻璃后的折射光线 OO′，于是就能测量入射角 θ1、折射角θ2。根据折射定律，就可以求出玻璃的折射率了。
实验演示：
怎样确定与入射光线 AO 相对应的折射光线 OO′
在木板上面铺一张白纸，把玻璃砖放在纸上，描出玻璃砖的两个边 a 和 a′。然后，在玻璃砖的一侧插两个大头针 A、B，AB 的延长线与a的交点就是 O。眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使 B 把 A 挡住(图4.1-3)，这样大头针 A、B 就确定了射入玻璃砖的光线。
在眼睛这一侧再插第三个大头针C，使它把 A、B 都挡住，插第四个大头针 D，使它把前三个大头针都挡住，那么，后两个大头针就确定了从玻璃砖射出的光线。
在白纸上描出光线的径迹，测量相应的角度，计算玻璃的折射率 n。
实验中，应该采取哪些措施以减小误差 你还可以设计其他实验方案吗
典例
分析 在图乙中过直线 AB 与油面的交点 O 作油面的垂线 NN′，交桶底于 N′点根据题意可知，来自C点的光线沿CO到达油面后沿 OA 方向射入空气。折射现象中光路是可逆的，因此如果光线沿 AO 方向由空气射到油面，折射光线将沿 OC 进入油中。以 ∠AON作为入射角，以∠CON 作为折射角，由折射定律可以求出油的折射率 n。
1. 图4.1-5是光线由空气射入半圆形玻璃砖，再由玻璃砖射入空气中的光路图，O点是半圆形玻璃砖的圆心。指出哪些情况是可能发生的，哪些情况是不可能发生的。
解：光从空气射人半圆形玻璃砖，即从光疏介质射入光密介质，折射光线偏向法线，当光线沿法线射入或射出玻璃砖时，光线不发生偏折，故题图中甲、丁不可能发生，乙、丙是可能发生的.
课堂练习
3. 图4.1-6是光由空气射入某种介质时的折射情况，试由图中所给出的数据求出这种介质的折射率和这种介质中的光速。
4. 为了从坦克内部观察外部的目标，在坦克壁上开了一个孔。假定坦克壁厚 20cm，孔的左右两边距离 12cm，孔内安装一块折射率为 1.52 的玻璃，厚度与坦克的壁厚相同 (图4.1-7，俯视图)。坦克内的人通过这块玻璃能看到的外界角度范围为多大
5. 依据图4.1-3测量玻璃折射率的实验，回答以下问题。
(1)证明图中的入射光线与射出玻璃砖的光线是平行的。
(2)射出玻璃砖的光线相对入射光线来说产生了侧移。证明：入射角越大，侧移越大。

6. 将一根筷子坚直插入装有水的玻璃杯中从水平方向拍摄的照片如图4.1-8所示。看上去，浸在水中的这段筷子产生了侧移，而且变粗了。如何解释观察到的现象
证明：如图所示，A处物体反射的光射向圆形玻璃杯壁 C 点发生折射，其折射光线的反向延长线交 OA 延长线于 B 点，故在侧面看到水面下方的筷子发生了侧移，向杯壁方向移动.
由于玻璃杯此时相当于凸透镜，对筷子成像有放大作用，故筷子看起来变粗了.