沪教版高中物理选修3-4 4.5光的折射_学案1

光的折射

【学习目标】
1．理解光的折射定律，并能应用光的折射定律解决光的折射问题；掌握介质的折射率的概念，了解介质的折射率与光速的关系；掌握不同颜色色光偏折角的大小，理解光的色散现象。
2．通过观察演示实验，使学生了解到光在两种介质界面上发生的折射现象，观察折射角随入射角的变化，根据得出的数据归纳出物理规律，培养学生的观察、概括能力，能从理论上分析论证光的折射定律，通过相关物理量变化规律的学习，培养学生分析、推理能力。
3．渗透物理研究和学习的科学态度，在对光的色散学习，感受到
颜色的神奇魅力，加深科学概念，提高科学素质。
【学习重难点】
1．理解光的折射定律，并能应用光的折射定律解决光的折射问题；掌握介质的折射率的概念，了解介质的折射率与光速的关系；掌握不同颜色色光偏折角的大小，理解光的色散现象。
2．通过观察演示实验，使学生了解到光在两种介质界面上发生的折射现象，观察折射角随入射角的变化，根据得出的数据归纳出物理规律，培养学生的观察、概括能力，能从理论上分析论证光的折射定律，通过相关物理量变化规律的学习，培养学生分析、推理能力。
【学习过程】
1．光的折射
（1）折射定律：折射光线在入射光线和法线决定的平面内，且分居在法线的两侧，入射角的正弦与折射角的正弦成正比。如果用来表示这个比例常数，就有，这就是光的折射定律，也叫斯涅耳定律。
2．折射率
（1）折射率的定义：某种介质的折射率，等于光在真空中的速度c跟光在这种介质中的速度之比,即n= 。由于c>v，因此任何介质的折射率均大于1。
（2）常见介质的折射率，见3-4第P92。
（3）由介质本身的特性及光的频率决定。同种介质对不同频率的光，由于不同，就不同， 最小， 最大。
（4） 不同折射率的介质相比较，折射率大的叫光密介质，折射率小的叫光疏介质。
（5） 折射率是一个相对物理量，没有单位。
3．光的色散
（1）由于同一介质对不同的色光折射率不同，各色光分开的现象，叫做光的色散。
（2）一束白光（复色光）通过三棱镜后会发生色散，形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各色组成的光带，这个光带叫光谱。(按一定顺序排列的彩色光带）
（3）光屏上形成的彩色光带，说明各种色光通过棱镜后的偏折角度不同。红光在最上端，红光的偏折角最小，棱镜对红光的折射率最小；紫光的偏折角最大，棱镜材料对紫光的折射率最大，<。
（4）光的色散现象：彩虹
4．测定材料的折射率
【方法举例】
1．准确应用折射定律公式
（1） 课本给出的折射定律的公式，是指光从真空射向介质。在实际应用折射定律的公式时，要分清入射角、折射角、折射率的对应关系，不能死套公式。
（2）折射定律的推广为
由惠更斯原理，可以得到，再根据可得到，因此，折射定律的公式可推广为。含义是当光以入射角从折射率为的一种介质折射进入折射率为另一种介质，折射角为，如图所示，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于两种介质折射率的倒数之比。
（3）推广公式 可灵活应用在不同的介质面上的折射，当光从真空射向介质时，n 1 =1，n2为该介质的折射率，即。当光从介质射向真空时，n 2 =1，n1为该介质的折射率，即。
2．各色光折射特点的比较
（1）、各色光是怎样排列的？（2）、各色光偏向角关系如何？（3）、同一媒质对不同色光的折射率大小关系如何？（4）、不同色光在同一媒质中的速率大小关系如何？（5）、不同色光在同一媒质中的波长大小关系如何？
光的颜色 红橙黄绿蓝靛紫
偏向角 小→大
折射率 小→大
频率 小→大
介质中的光速 大→小
介质中的波长 大→小







3．“视深”分析
（1）“视深”指由于光的方向发生偏折，观察者看到的像的位置离开界面的距离。
（2）当从光疏介质观察光密介质中的对象时，视深小于实际深度；当从光密介质观察光疏介质中的对象时，视深大于实际深度。
（3）如图，当从空气中垂直介质平面观察折射率为的介质中的对象时， ；如图，当从折射率为的介质中垂直介质平面观察空气中的对象时，。






4．平行玻璃砖的光路特点
（1）所谓平行玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。
（2）如图，当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：①光在下表面的入射角与上表面的折射角等大；②射出光线和入射光线平行；③射出光线的侧移d（入射线和射出线间的距离）与折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；④可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。


5．三棱镜的光路特点
（1） 如图，通过棱镜的光线要向棱镜底面偏折；如果将该棱镜放入相对棱镜材料折射率较大的媒质中，光线将向顶角偏折，关于棱镜对光线的偏折作用，我们不能死记,应根据光的折射定律作出光路图来分析判断。
（2）棱镜要改变光的传播方向，但不改变光束的性质。
a．平行光束通过棱镜后仍为平行光束；
b．发散光束通过棱镜后仍为发散光束；
c．会聚光束通过棱镜后仍为会聚光束。
（3）棱镜成像。

例1 光在某介质中的传播速度是2．122×108m/s，当光线以30°入射角，由该介质射入空气时，折射角为多少？



例2 一束白光通过三棱镜后发生了色散现象,如图所示，下列说法正确的是( )
（A）玻璃对红光的折射率最小,红光的偏折角最小
（B）玻璃对紫光的折射率最小,紫光的偏折角最小
（C）红光在玻璃中的传播速度比紫光大
（D）屏幕上各色光在光谱上由上到下的排列顺序为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫
[解析] 由图中可知，以相同的入射角入射到三棱镜的面上，红光的折射角大与紫光的折射角，根据折射定律，玻璃对红光的折射率小于紫光的折射率， A选项正确；根据，红光在玻璃中的传播速度比紫光大， C选项正确；玻璃对红光的折射率最小，红光的偏折程度最小；玻璃对紫光的折射率最大，紫光偏折程度最大，因此屏幕上各色光在光谱上由上到下的排列顺序为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，D选项正确。故正确答案为（A）、（C）、（D）。
[说明]本题考查介质对不同色光的折射率不同及不同色光在同一介质中的传播速度不同。
例3 一个水池深2 m，水的折射率n＝4/3，从水面上竖直向下看，水池的深度（视深）为 m。

【达标检测】
一、选择题
1．一束单色光从空气射入水中,则（ ）
（A）光的颜色不变、波长、光速都变小 （B）光的颜色、波长都不变，光速变小
（C）光的颜色改变，波长不变，光速变小 （D）光的颜色改变，波长和光速都变
2．某种色光在传播过程中，下面说法正确的是 （ ）
（A）当它的频率不发生改变时，一定是在同一种介质中传播
（B）当它的速度由小变大时，一定是从光疏介质进入光密介质
（C）当它的速度由小变大时，一定是从密度大的介质射向密度小的介质
（D）当它的波长由长变短时，一定是从光疏介质进入光密介质
3．光线以某一入射角从空气射人折射率为的玻璃中，已知折射角为30°，则入射角等于（ ）
（A）30° （B）45° （C）60° （D）75°
4．一束光从空气射向折射率为的某种玻璃的表面，如图所示，表示入射角，则下列说法中不正确的是( )
（A）无论入射角有多大，折射角θ2都不会超过450角
（B）欲使折射角＝300，应以θ1＝450角入射
（C）当入射角时，反射光线与折射光线恰好互相垂直
（D）以上结论都不正确
5．A与B是两束平行单色光，它们从空气射入水中的折射角分别为、，若，则 ( )
（A）在空气中A的波长大于B的波长
（B）在水中A的传播速度小于B的传播速度
（C）A的频率大于B的频率
（D）在水中A的波长小于B的波长
6．一束红光与一束紫光以适当的入射角射向半圆形玻璃砖，其出射光线都是由圆心O点沿OP方向射出，如图所示，则( )
（A）AO是红光，它穿过玻璃砖所需的时间短
（B）AO是紫光，它穿过玻璃砖所需的时间长
（C）BO是红光，它穿过玻璃砖所需的时间长
（D）BO是紫光，它穿过玻璃砖所需的时间短
7．如图，发出白光的细线光源ab，长度为l0，竖直放置，上端a恰好在水面以下，
现考虑线光源ab发出的靠近水面法线(图中的虚线)的细光束经水面折射后所成的像，由于水对光有色散作用，若以l1表示红光成的像的长度，l2表示蓝光成的像的长度，则（ ）
（A）l1＜l2＜l0
（B）l1＞l2＞l0
（C）l2＞l1＞l0
（D）l2＜l1＜l0
8．一束复色光由空气射向一块平行平面玻璃砖，经折射分成两束单色光a．b，已知a光的频率小于b光的频率，图中哪个光路图可能是正确的（ ）?







9．如图所示，一束平行光的宽度为d，由空气射入某种液体中，入射角是450 ，已知该液体的折射率为，则光束在液体中传播的宽度d应（ ）
（A）大于d
（B）小于d
（C）等于d
（D）等于
10．我国南宋时的程大昌在其所著的《演繁露》中叙述道：“凡风雨初霁，或露之未晞，其余点缀于草木枝叶之末，日光入之，五色俱足，闪烁不定，是及日之光品著色于水，而非雨露有所五色也。”文中所述是下列哪种光现象 ( )
（A）反射 （B）色散
（C）干涉 （D）衍射
11．如图所示，一细束红光与一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上，经折射后交于光屏上的同一点M.若用和分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率，下列说法中正确的是 （ ）
（A） ＜，a为蓝光，b为红光
（B） >，a为蓝光，b为红光
（C）a光在玻璃中的传播速度比b光大
（D）a光在玻璃中的传播速度比b光小
12．现在高速公路上的标志牌都用“回归反光膜”制成，夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向返回，标志牌上的字特别醒目。这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的，如图所示，反光膜内均匀分布着直径为10μm的细玻璃珠，所用玻璃的折射率为，为使入射的车灯光线经玻璃珠折射→反射→再折射后恰好和入射光线平行，那么第一次入射的入射角应是（ ）
（A）15° （B）30°
（C）45° （D）60°
13．如图所示，光从Ａ点射入圆形玻璃，而从Ｂ点射出，若出射光线相对于入射光线的偏向角为，AB弧所对的圆心角为，下列说法正确的是( )
（A）玻璃的折射率为 （B）玻璃的折射率为
（C）玻璃的折射率为 （D）光线在Ａ点的入射角为
14．某液体中有一个空心的玻璃棱镜，假如有光线射在棱镜的AB面上，如图所示，这条光线折射后的出射光线将会( )
（A）向棱镜底边BC偏折
（B）向棱镜顶角A偏折
（C）不发生偏折
（D）在AB面折射进入空心部分后可能全部照到BC面上
15．如图所示，所细红光束和细蓝光束垂直于AB面进入楔形棱镜，并能从AC面射出，这两束光从棱镜的AC面射出后的情况是（ ）
（A）两束光一定相交
（B）两束光仍然平行
（C）两束光的反向延长线相交
（D）条件不足,无法确定

二、填空题
16．如图是由某种透光物质制成的等腰直角棱镜ABO，两腰长都是16 cm．为了测定这种物质的折射率，将棱镜放在直角坐标系中，并使两腰与ox、oy轴重合，如图所示．从OB边的C点注视A棱，发现A棱的视位置在OA边D点．在C．D两点插大头针，看出C点坐标位置（0，12）D点坐标位置（9，0），由此可计算出该物质的折射率为 。
17．测定玻璃折射率的实验中
（1） 某同学做实验插针的步骤如下：
（A）在表示入射光线的AO上插上大头针P1和P2；
（B）通过玻璃砖观察P1和P2，调整视线，直到P1的像被P2的像挡住；
（C）在观察一侧插上大头针P3和P4，并记下P3和 P4的位置。
这位同学在操作中的重要疏漏？
（2） 以通过P1P2的直线与玻璃砖的交点O为圆心，以某一适当长度R为半径画圆．与OA交于P，于OO′的延长线交于Q，从P和Q分别做玻璃砖界面的法线NN′的垂线，P′和Q′分别为垂足，如图所示，用刻度尺量得PP′＝45mm，QQ′＝30mm．则玻璃砖的折射率的表达式 ，值为 。
三、计算题
18．光线从空气射入你n=的介质中，反射光线恰好垂直于折射光线，则入射角约为多少？






19．光线从空气射入甲介质中时，入射角i=45°，折射角r=30°，光线从空气中射入乙介质中时，入射角i′=60°，折射角r′=30°．求光在甲、乙两种介质中的传播速度比。




20．在真空中波长是6×m的光是黄色光,波长是4×m的光是紫色光.现有一束频率=5×Hz的单色光,它在折射率n=1．5的玻璃中传播时的波长是多少?它在该玻璃中是什么颜色?





n 1

n 2







P

P，





观察点

n

空气

n





P

P，

观察点

空气













d







红光

紫光





















Ａ

Ｂ



Ａ

Ｂ

Ｃ



紫光

红光

B

A

C