13.1光的反射和折射 教案 (1)

13.1光的反射和折射
教案
(教师用书独具)
●课标要求
1．通过实例分析掌握光的反射定律与光的折射定律．
2．理解折射率的定义及其与光速的关系．
3．学会用光的折射、反射定律来处理有关问题．
●课标解读
1．理解光的反射定律和折射定律，并能用来解释和计算有关的问题．
2．理解折射率的物理意义，知道折射率与光速的关系．
3．会依据光的反射定律和折射定律做出光路图．
●教学地位
光的反射定律和折射定律是研究几何光学的重要法宝，是全章的重点，折射率是掌握折射定律的关键，本节内容是高考的热点．
(教师用书独具)
●新课导入建议
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，如图教13 1 1所示．你知道这是为什么吗？通过本节课的学习，你将明白其中的道理．
图教13 1 1
●教学流程设计
课　标　解　读
重　点　难　点
1.能用反射定律和折射定律解释和计算有关问题.
2.能理解折射率的物理意义，能记住折射率与光速的关系.
3.会根据光的反射定律和折射定律作光路图．
1.折射定律的得出过程．(重点)
2.光的折射率的理解．(重点)
3.折射定律与光路可逆原理的应用．(难点)
光的反射与反射定律
1.基本知识
(1)光的反射
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)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．
2．思考判断
(1)反射定律是确定反射光线的位置的规律．(√)
(2)不是所有的反射现象都遵循反射定律．(×)
3．探究交流
光发生反射现象时，反射光线和入射光线传播的速度是否相同？
【提示】　光在反射时，入射光线和反射光线是在同一介质中，因此入射光线和反射光线的传播速度相同.
光的折射及折射定律
1.基本知识
(1)光的折射和折射定律
光的折射
光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光进入第2种介质的现象
入射角折射角
入射角：入射光线与法线的夹角折射角：折射光线与法线的夹角
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＝n12
光路可逆性
在光的反射和折射现象中，光路都是可逆的.
　(2)折射率
①物理意义
反映介质的光学性质的物理量．
②定义
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，简称折射率，即n＝．
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＝．
④特点
任何介质的折射率都大于1．
2．思考判断
(1)一束光从空气进入水中时，传播方向一定发生变化．(×)
(2)折射率大的介质，密度不一定大．(√)
(3)光的反射现象中，光路是可逆的，光的折射现象中，光路不是可逆的．(×)
3．探究交流
有经验的渔民叉鱼时，不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到的鱼的下方叉，如图13 1 1所示．你知道这是为什么吗？
图13 1 1
【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，人眼会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．
光的折射现象的规律
【问题导思】　
1．光折射的实质是什么？
2．光折射时频率改变吗？
3．光折射时速度改变吗？
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．
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，但也属于折射，光传播的速度发生变化．
3．入射角与折射角的大小关系
光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定．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．
1．应用折射定律和反射定律解题的关键是确定入射角、反射角和折射角．画出正确的光路图是解题的必要前提．
2．入射角、折射角、反射角均以法线为标准来确定，注意法线与界面的区别．
　(2014·厦门检测)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；
(3)当入射角变为45°时，折射角等于多大？
(4)当入射角增大或减小时，玻璃的折射率是否变化？说明理由．
【审题指导】　(1)找准入射角和折射角准确做图．
(2)利用n＝和n＝分析计算．
【解析】　(1)由题意知入射角θ1＝60°，反射角β＝60°，折射角θ2＝180°－60°－90°＝30°，折射光路图如图所示
(2)n＝＝＝，
根据n＝得v＝＝
m/s，
v≈1.7×108
m/s.
(3)据n＝得sin
θ2＝，
将sin
θ1＝sin
45°＝及n＝代入上式，可求得
sin
θ2＝，解得θ2＝arcsin.
(4)折射率不会变化，折射率反映介质的光学性质，而跟入射角的大小无关．
【答案】　(1)图见解析　(2)　1.7×108
m/s　(3)arcsin　(4)不会变化
1．假设地球表面不存在大气层，那么人们观察到的日出时刻与实际存在大气层的情况相比(　　)
A．将提前
B．将延后
C．在某些地区将提前，在另一些地区将延后
D．不变
【解析】　假如地球周围没有大气层，太阳光将沿直线传播，如图所示．在地球上B点的人们将在太阳到达A′点时看到日出；而地球表面有大气层，由于空气的折射率大于1，并且离地球表面越近，大气层越密，折射率越大，太阳光将沿如图所示AB曲线射入在B处的人眼中，使在B处的人看到了日出．但B处的人认为光是沿直线传播的，则认为太阳位于地平线上的A′点，而此时太阳还在地平线下，日出的时间提前了，所以无大气层时日出的时间将延后，故正确答案为B.
【答案】　B
对折射率的理解
【问题导思】　
1．折射率与入射角的大小有关吗？
2．折射率与光速的关系如何？
3．折射率与哪些因素有关？
1．关于正弦值
当光由真空中射入某种介质中，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值之比是一个常数．
2．关于常数n
入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映着该介质的光学特性．
3．光传播速度
介质的折射率n跟光在其中的传播速率v有关，即n＝，由于光在真空中的传播速率c大于光在任何介质中的传播速率v，所以任何介质的折射率n都大于1.因此，光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角；而光由介质斜射入真空时，入射角均小于折射角．
4．决定因素
介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小只能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．
折射率的定义式n＝中的θ1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；而θ2为介质中的光线与法线的夹角，也不一定为折射角．
　一半圆柱形透明物体横截面如图13 1 2所示，底面AOB镀银，O表示半圆截面的圆心，一束光线在横截面内从M点入射，经过AB面反射后从N点射出，已知光线在M点的入射角为30°，∠MOA＝60°，∠NOB＝30°.
求：
图13 1 2
(1)光线在M点的折射角；
(2)透明物体的折射率．
【审题指导】　解答本题时可先作出光路图，根据几何关系确定在M点的折射光线和N点的入射光线，从而确定它们的折射角和入射角．
【解析】　(1)如图，透明物体内部的光路为折线MPN，Q、M点相对于底面EF对称，Q、P、N三点共线．
设在M点处，光的入射角为i，折射角为γ，∠OMQ＝α，∠PNF＝β，根据题意有
α＝30°①
由几何关系得∠PNO＝∠PQO＝γ，于是
β＋γ＝60°②
α＋γ＝β③
由①②③式得γ＝15°.
(2)根据折射率公式有
n＝＝＝.
【答案】　(1)15°　(2)
光的折射问题的分析方法
1．根据入射角、折射角及反射角之间的关系，作出比较完整的光路图．
2．充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系．根据折射定律求解相关的物理量：折射角、折射率等．
图13 1 3
2．(多选)(2013·烟台检测)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13 1 3所示，则下列说法正确的是(　　)
A．此介质折射率为
B．此介质折射率为
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
【解析】　由入射角、折射角及折射定律的含义知n＝＝，则此介质比空气的折射率大，故相对于空气为光密介质，又由n＝知D错误．
【答案】　BC
实验：测定玻璃的折射率
【问题导思】　
1．如何确定在玻璃中的折射光线？
2．在本实验中是否入射角越大越好？
1．实验原理
用插针法确定光路，找出与入射光线相应的出射光线，就能在玻璃砖中画出对应的折射光线，从而可以测出一组对应的入射角和折射角，根据折射定律便可求出玻璃的折射率．
2．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．
3．操作步骤
(1)把白纸用图钉钉在木板上．
(2)沿玻璃砖的一个面画一条线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13 1 4所示．
图13 1 4
(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画一条直线bb′.
(5)在玻璃砖的bb′一侧白纸上竖直地立一枚大头针P3，用眼睛观察调整视线，同时移动大头针P3的位置，使P3恰好能同时挡住玻璃砖aa′一侧所插的大头针P1、P2的像，把此时大头针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本身，同时也能挡住P1、P2的像．
(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．
(10)算出不同入射角时的值，求出几次实验中的平均值就是玻璃的折射率．
图13 1 5
　用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2挡住．接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使从另一侧隔着棱镜观察时，大头针P4、P3和P1、P2的像恰好在一条直线上．画出大头针位置和三棱镜轮廓，如图13 1 5所示．
(1)在本题的图上画出所需的光路．
(2)为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是________，在图上标出它们．
(3)计算折射率的公式是n＝________．
【解析】　(1)如图所示，画出通过P1、P2的入射光线交AC面于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O′，则光线OO′就为入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线．
(2)在所画的图上，标明入射角θ1和折射角θ2，并画出虚线部分．用量角器测量出θ1和θ2或用刻度尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度．
(3)因为n＝，sin
θ1＝，sin
θ2＝，
则n＝÷＝·.
【答案】　(1)如解析中图所示
(2)入射角θ1　折射角θ2(或EF和OE、GH和OG)如解析中图所示
(3)n＝(或n＝·)
图13 1 6
3．(2014·苏州中学检测)由某种透明物质制成的等腰直角棱镜AOB，两腰都为16
cm，且两腰与Ox和Oy轴都重合，如图13 1 6所示，从BO边的C点注视A点，发现A点的位置在D点，在C、D两点插上大头针，测出C点的坐标为(0，12)，D点的坐标为(9，0)，由此可以算出该透明物质的折射率为多大？
【解析】　假设从A点发出一条光线射在C点，经折射后，射入眼睛．当逆着折射光线看去，好似光线是从D点射出．
sin
θ1＝cos∠ACO＝＝
sin
θ2＝cos∠DCO＝＝
所以，该透明物质的折射率
n＝＝＝.
【答案】　
1．关于光的折射现象，正确的说法是(　　)
A．光的传播方向发生改变的现象叫光的折射
B．折射定律是托勒密发现的
C．人观察盛水容器的底部，发现水变浅了
D．若光从空气射入液体中，它的传播速度一定增大
【解析】　光的反射也可改变光的传播方向，A错；折射定律是斯涅耳发现的，B错；由于折射现象，人观察盛水容器的底部时，发现水变浅了，C对；由公式n＝知光从空气射入液体中，传播速度要变小，D错．
【答案】　C
2．若某一介质的折射率较大，那么(　　)
A．光由空气射入该介质的折射角较大
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i共同决定的，所以A、B均错．由n＝可知，介质的折射率越大，光在该介质中的速度越小，故C错，D正确．
【答案】　D
3.
图13 1 7
如图13 1 7所示，国家游泳中心“水立方”的透明薄膜“外衣”上点缀了无数白色亮点，他们被称为镀点，北京奥运会举行时正值盛夏，镀点能改变光线方向，将光线挡在场馆外，镀点对外界阳光的主要作用是(　　)
A．反射太阳光线，遵循光的反射定律
B．反射太阳光线，不遵循光的反射定律
C．折射太阳光线，遵循光的折射定律
D．折射太阳光线，不遵循光的折射定律
【解析】　“挡在场馆外”一定是反射，只要是反射就一定遵循光的反射定律，A选项正确．
【答案】　A
4．(2011·江苏高考)一束光从空气射向折射率为的某种介质，若反射光线与折射光线垂直，则入射角为______．真空中的光速为c，则光在该介质中的传播速度为________．
【解析】　由题意知n＝＝，得i＝60°
v＝＝c.
【答案】　60°　c
5．用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率，O为玻璃砖截面的圆心，使入射光线跟玻璃砖的平面垂直，如图所示的四个图中P1、P2、P3和P4是四个学生实验插针的结果．
(1)在这四个图中肯定把针插错了的是________．
(2)在这四个图中可以比较准确地测出折射率的是________，计算玻璃的折射率的公式是________．
【解析】　(1)垂直射入半圆柱玻璃砖平面的光线，经玻璃砖折射后，折射光线不能与入射光线平行(除过圆心的光线)，A错．
(2)测量较准确的是D图，因B图的入射光线经过圆心，出射光线没有发生折射，C图的入射光线离圆心太近，射到圆界面上时，入射角太小不易测量，会产生较大的误差．测量出入射角与折射角后，由折射定律求出折射率n＝.
【答案】　(1)A　(2)D　n＝