光的折射(提高)
【学习目标】
1.知道光的折射现象,体验折射引起的错觉;
2.理解光从空气射入水中或其它介质中时的偏折规律;
3.会利用光的折射规律解决简单的物理问题。
【典型例题】
类型一、光的折射
1. 一光线由空气斜射入水中,入射角为30°,在水面上同时产生反射和折射,此时折射光线和反射光线之间夹角一定( )
A.小于30° B.大于30°小于60° C.大于60°小于120° D.大于120°小于150°
【答案】D
【解析】由于入射角为30°,所以反射角也等于30°,由此可知反射光线与水面的夹角为60°;光从空气斜射入水中,所以折射角小于入射角,即折射角小于30°,那么折射光线与水面的夹角就大于60°,且小于90°。所以反射光线和折射光线的夹角最大要小于150°,最小要大于120°。
【总结升华】题目考查了光的反射和光的折射两个知识点。解题时要明确入射光线、反射光线、折射光线三者之间的位置关系,根据光的反射规律和折射规律确定反射光线与水面、折射光线和水面的夹角。
举一反三:【变式】如图所示,OA是光从水中斜射入空气中时的一条反射光线,OA与水面夹角为60°。下列关于入射角α、折射角β的说法中正确的是( )
A.α=60°、β>60° B.α=60°、β<60° C.α=30°、β>30° D.α=30°、β<30°
【答案】C
2.地球周围的大气层密度是不均匀的,越到高空越稀薄,太阳升起时太阳光穿过大气层时要发生 。因此,早晨我们看到初升的太阳是在它实际位置的 (填“上方”“下方”或“原位置”)而形成的 (填“实像”或“虚像”)。
【思路点拨】根据光只有在同种均匀的介质中才沿直线传播,在不均匀的介质中传播路径会发生偏折;太阳光从稀薄的空气射入稠密的空气中时,折射光线向靠近法线来解答此题。
【答案】折射;上方;虚像
【解析】太阳光从太空进入大气层时,由于大气层的密度是不均匀的,会发生折射,折射光线靠近法线,我们逆着折射光线的方向看,看到初升的太阳比实际位置变高了的虚像,所以当我们看到太阳刚升起时,它的实际位置还在地平线以下,如下图所示。
【总结升华】此题主要考查光的折射产生的自然现象,要会用物理知识解释自然现象。学习物理一定要密切的联系生活;要将学到的知识应用到生活中去。
举一反三:【变式】如图所示,空杯底部放一枚硬币,移动杯子,使眼睛刚刚看不到硬币,保持眼睛和杯子的位置不变,慢慢向杯子里倒水,随着水面升高,将会看到 ,这是由于光线由水斜射入空气时,折射角 入射角。
【答案】硬币;大于
类型二、综合应用
3.某校新建成一个喷水池,在池底的中央安装一只射灯。池内无水时,射灯发出的一束光照在池壁上,在S点形成一个亮斑,如图所示。现往池内注水,水面升至a位置时,站在池旁的人看到亮斑的位置在P点;如果水面升至b位置时,人看到亮斑的位置在Q点,则( )
A.P点在S点的下方,Q点在S点的上方 B.P点在S点的上方,Q点在S点的下方
C.P点在S点的上方,Q点在S点的上方 D.P点在S点的下方,Q点在S点的下方
【思路点拨】(1)光在同种、均匀、透明介质中沿直线传播,从一种介质进入另一介质时,光的传播方向发生改变,产生折射现象;(2)水面升至a位置时,光从水斜射入空气中时,入射光线、折射光线以及法线在同一平面内,折射角大于入射角,确定折射光线的方向;(3)水面上升至b位置时,光线先在水池侧壁发生反射,反射角等于入射角,反射光线再从水中斜射入空气里发生折射,折射角大于入射角。
【答案】A
【解析】(1)往池内注水,水面升至a位置时,发生折射,根据折射定律,P点如下图所示:
(2)水面上升至b位置时,光线先在水池壁反射,再折射出水面,根据反射定律和折射定律,Q点如下
图所示:
通过画图可知:P点在S点的下方,Q点在S点的上方。
【总结升华】题目重点考查的是作反射光线和折射光线,理解并掌握光的反射定律和折射定律是解决此题的关键。水面升至a位置时,光从水斜射入空气中时,入射光线、折射光线以及法线在同一平面内,折射角大于入射角,确定折射光线的方向;水面上升至b位置时,光线先在水池侧壁发生反射,反射角等于入射角,反射光线再从水中斜射入空气里发生折射,折射角大于入射角。
举一反三:【变式】图中的A、B两架飞机,一架是实际飞机,一架是从潜水艇上观察到的该飞机的像,则:
(填字母)是实际飞机,并作光路图示意。
【答案与解析】如图飞机的光线由空气中斜射入水中时,在水面上发生折射,折射角小于入射角,折射光线进入潜水艇观察者眼里,观察者逆着折射光线的方向看去,就会觉得飞机变高了,所以B架是实际飞机,A架是飞机的像。
类型三、实验探究
4. 研究光进入玻璃和从玻璃进入空气时的传播规律。选用如图的圆盘形量角器作光屏,半圆形玻璃砖及激光器等器材。
实验步骤如下:
①将半圆形玻璃砖放在标有角度的圆盘上,使二者的圆心重合;
②如图甲,将一束激光从A射向圆心O,激光在O处发生折射,射向B;读出入射角和折射角的大小,入射角大小为 度,折射角大小为 度;
③减小入射角再次实验,如图乙,从实验现象中可以得出的结论是 ,采用半圆形玻璃砖来进行实验的一明显的好处是 ;
④根据光路可逆原理,如果让光从半圆表面斜射入玻璃中,可能发生的情况是 ,此时一组可能的任意的入射角和折射角是: 度; 度。
【答案与解析】②入射角为AO与OO法线的夹角,此夹角为:45度;折射角为BO与OO法线的夹角,此夹角为:30度;故答案为:45度,30度。
③由图可知,当光线垂直于界面入射时,折射方向不变,故答案为:当光线垂直于界面入射时不发生折射;
因半圆形的玻璃砖截面是水平的,便于测量角度的大小;故答案为:便于测量角度的大小。
④因当光从水中或其它介质斜射入空气中时,折射角大于入射角,故答案为:折射角大于入射角或完全被反射回来;30度;45度。
【总结升华】总结光的折射规律的能力。光从空气斜射入其它介质时的折射规律,折射角小于入射角,并且折射角随入射角的增大而增大。
举一反三:【变式】小刚同学探究光从空气射入不同介质发生折射时的一些规律,他将一束光从空气射入水、玻璃后发生折射的实验数据记录于下表:
(1)分析第1次的实验数据,结论是: 。
(2)分析第2次至第4次的某次实验数据,结论是:光从空气斜射入水、玻璃中,当入射角一定时,
。
(3)分析第2次至第4次的实验数据的变化,结论是:光从空气斜射入水、玻璃中时, 。
【答案】(1)光从一种透明介质垂直射入另一种透明介质时,传播方向不变;
(2)在玻璃中的折射角总是小于水中的折射角;
(3)折射角总是小于入射角。
【巩固练习】
一、选择题
1. 如图所示的四种现象中,属于光的折射现象的是( )
2. 水边有一个竖立的标杆,水面下的游泳者看到标杆位置与实际位置相比( )
A.一样高 B.偏低 C.偏高 D.无法判断
3. 一束光线从玻璃斜射入空气,如果折射角不断地增大,则入射角一定( )
A.保持不变 B.逐渐变大 C.逐渐变小 D.无法断定
4.(多选)下列现象中不是由于光的折射引起的是( )
A.在河边看水中的物体比它的实际位置浅些 B.用放大镜看物体得到放大的像
C.水中月亮的“倒影” D.小孔成像
5.(2019凉山州)如图所示,是光在空气和玻璃两种介质中传播的情形,下列说法正确的是( )
A.入射角等于30° B.折射角等于50° C.NN′是界面 D.MM′的右边是玻璃
6. 如图所示的军事观察孔,图中的虚线表示空气孔的观察范围,现在在孔中嵌入玻璃砖后,观察的范围将( )
A.变大 B.变小 C.不变 D.无法确定
二、填空题
7. 渔民在叉鱼时,要把叉子对着所看到的鱼的________(填“上方”或“下方”)叉去,才能叉到鱼。
8. 在空气和水的交界面上,同时发生反射和折射现象,当入射光线和反射光线的夹角为120°时,反射光线与折射光线的夹角为90°,则折射角为________度。
9. 如图所示,MN是两种均匀介质的分界面,已知两种介质中其中一种是空气,一光线从A介质入射到B介质,则折射角大小等于 ,其中 介质是空气。
10. 你能解释“坐井观天,所见甚小”吗?请你在图中用光学知识画图说明.若井中有水,井底青蛙的位置不变,由于 ,青蛙观察到的井上范围将 (选填“变大”、“变小”或“不变”)。
11. 小王在河边玩耍看见清澈的河底部有一个黑色的鹅卵石,他想用手中的激光手电筒去照亮鹅卵石,则激光束应对着鹅卵石的 照射(选填:上方、下方、正对方向)。
12. 潜水员从水中看岸上的路灯的位置比实际位置要 (填“高”或“低”),这是由于光在水面处产生折射时,折射角 入射角的缘故。
三、作图与实验探究
13. 为什么从斜上方看水中的硬币,看到的硬币比实际位置浅?画图说明。
14. 如图所示,请你画出光线AO从空气中斜射入玻璃中的光路图。
15. 在探究“光从空气斜射人水和油时,哪种液体对光的偏折本领较大”的实验中,小明提出如下实验方案:先让一束入射光从空气直接斜射入透明的空水槽中,记录下光斑位置(如图所示);接着分别倒入水和油,记录对应的光斑位置,再通过分析就可得到实验结论。经讨论,同学们认为这一方案是可行的,于是进行了探究实验。
(1)要实现探究目标,他们应选择图中的 (选填字母序号)两图实验;
(2)实验时,同学们在水槽底部贴上一把自制纸质刻度尺,这样做的目的是为了 。
(3)某小组同学正确实验后,所记录的三次光斑的相对位置如图所示,经分析可知:光从空气斜射入水和油时, 对光的偏折本领较大。
【答案与解析】
一、选择题
1.【答案】B
【解析】手影是由于光的直线传播形成的;放入水中的钢勺看上去在水面处折断了,是由于光从水射入空气折射角大于入射角形成的;平面镜成像、水中倒影是由于光的反射形成的。选项B正确。
2.【答案】C
【解析】光从空气中斜射入水中时,在水面处发生了折射,折射角小于入射角,人眼逆着折射光线的反向延长线看去,看到是标杆的虚像,虚像在标杆的上方,因此在水面下的游泳者看到的标杆与实际的标杆相比偏高。
3.【答案】B
【解析】当光从玻璃斜射入空气中时发生折射,若入射角增大,则折射角增大。所以如果折射角不断增大,则入射角一定不断增大。
4.【答案】CD
【解析】水中的倒影是光的反射;小孔成像是光的直线传播。
5.【答案】D
【解析】根据光的反射定律,反射角等于入射角,反射光线和入射光线分居在法线两侧。如图所示:由∠BOM=30°,可知,∠BON=90°-30°=60°,而图中已知∠AON=60°。所以NN′为法线,则MM′为界面。由光的折射定律,折射光线和入射光线分居法线两侧,可知AO是入射光线, OC为折射光线,光从空气斜射入玻璃中的时候,折射角小于入射角,则∠CON′=90°-50°=40°所以MM′的右边是玻璃。
6.【答案】A
【解析】光从空气斜射入玻璃,发生折射,根据折射规律,折射角小于入射角。如图所示,所以观察的范围变大。
二、填空题
7.【答案】下方
8.【答案】30
9.【答案】60°;B
【解析】如图所示:已知MN是界面,作法线FG,根据光线的方向,可以确定CO是入射光线,OD是反射光线,OE是折射光线。
则反射角为∠DOF=90°-50°=40°,入射角为∠COF=∠DOF=40°,折射角为∠EOG=90°-30°=60°
∵折射角>入射角
∴A侧是水或者玻璃,B侧是空气。
10.【答案与解析】光进入眼睛才能看见事物,由于光是沿直线传播的,所以以井为分界,被挡住部分是看不到的如图甲所示;井底有水时,光由空气进入水中发生折射,折射光线靠近法线,如图乙所示,可以增大观测范围。
11.【答案】正对方向
【解析】看到鹅卵石是鹅卵石反射的光从水中斜射如空气中;用激光照射鹅卵石,光从空气斜射入水中,由于光路可逆,所以照着B点,激光也就刚好落在鹅卵石上了。如图所示:
12.【答案】高;大于
【解析】路灯发出或反射的光从空气进入水中,发生折射,折射角小于入射角,折射光线靠近法线,向下偏折,所以潜水员看到的路灯的位置比实际位置偏高。
三、作图与实验探究
13.【答案与解析】经硬币反射的光经水面折射,折射光线远离法线向下偏折,当光线射入人眼,人凭光直线传播的感觉,认为硬币在折射光线的反向延长线上,其实人看到的是硬币的虚像。
14.【答案】
【解析】根据光的折射定律,AO与BC应该是平等的。
15.【答案】(1)B、D;(2)记录每一次光斑的位置;(3)油
【解析】(1)根据控制变量法的思想,要探究水和油对光的偏折本领大小,必须控制入射角和液面的高度相同,符合条件的有B、D两图;(2)在水槽底部贴上一把自制纸质刻度尺,目的是为了记录光斑的位置,比较液体对光的偏折程度,体现了转换法的思想;(3)根据记录,油中光斑的位置距离空气比较远,因此油对光线的偏折程度大,对光的偏折本领较大。