131 光的反射和折射.docx

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131光的反射和折射

第1节　光的反射和折射

学习目标：

1.知道光的反射定律，理解光的折射定律，并能用来解释和计算有关问题.2.知道折射率的定义以及与光速的关系，并能用来计算有关问题.3.掌握插针法测折射率的方法．

一、反射定律和折射定律

[课本导读]

预习教材第44页～第45页“反射定律和折射定律”部分，请同学们关注以下问题：

1．什么是光的反射？

满足什么规律？

2．什么是光的折射？

满足什么规律？

[知识识记]

1．光的反射和折射：

光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这种现象叫光的反射，另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫做光的折射．

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．

3．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.在光的折射现象中，光路也是可逆的．

二、折射率

[课本导读]

　预习教材第45页“折射率”部分，请同学们关注以下问题：

1．什么是折射率？

意义是怎样的？

2．折射率与什么因素有关？

[知识识记]

1．折射率：

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，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n表示．

2．物理意义：

是一个与介质有关的常数，反映介质的光学性质．

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＝

.任何介质的折射率n都大于1.

1．反射定律是确定反射光线位置的规律．（　　）

[答案]　√

2．发生漫反射时，反射角不等于入射角．（　　）

[答案]　×

3．一束光从空气进入水中时传播方向一定改变．（　　）

[答案]　×

4．光发生折射时，一定伴随着反射现象．（　　）

[答案]　√

5．光发生反射时，一定伴随着折射现象．（　　）

[答案]　×

6．密度大的介质，折射率一定大．（　　）

[答案]　×

要点一　对光的折射现象的理解——概念理解型

[合作探究]

　落山的太阳看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况．造成这种现象的原因是什么？

提示：

是由于光的折射现象造成的．

[知识精要]

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，但并非一定要变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向就不变化．

2．光的速度：

光从一种介质进入另一种介质时，速度一定变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但也属于折射现象，因为光传播的速度发生了变化．

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发生折射时，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关系而定．光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质，入射角大于折射角，反之，入射角小于折射角．

4．在光的折射现象中，光路具有可逆性．

[题组训练]

1．（光的折射现象的理解）关于光的反射与折射现象，下列说法不正确的是（　　）

A．光发生反射时，光的传播方向一定改变

B．光发生反射时，光的传播方向可能偏转90°

C．光发生折射时，一定伴随着反射

D．光发生折射时，光的传播方向可能偏转90°

[解析]　由光的反射定律可知，反射角等于入射角，不管入射角多大，光发生反射时，光的传播方向都要改变，选项A正确；光发生反射时，当入射角等于45°时，光的传播方向偏转90°，选项B正确；光从一种介质射到两种介质的分界面时，一定有部分光发生反射，选项C正确；光发生折射时，光的传播方向偏转一定小于90°，选项D错误．

[答案]　D

2．（光的折射现象的理解）人看到沉在水杯底的硬币，其实看到的是（　　）

A．硬币的实像，其位置比硬币的实际位置浅

B．硬币的实像，其位置比硬币的实际位置深

C．硬币的虚像，其位置比硬币的实际位置深

D．硬币的虚像，其位置比硬币的实际位置浅

[答案]　D

要点二　对折射定律的理解——重难点突破型

[合作探究]

是否可以由折射率的定义式n＝

，得出折射率与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比？

折射率由什么因素决定？

提示：

折射率采用的是比值定义的方法，不能说折射率与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比．折射率由光的性质和介质的性质共同决定．

[知识精要]

1．n＝

中，注意θ1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；θ2为介质中光线与法线的夹角，也不一定为折射角．

2．折射率与光速的关系：

光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关，即n＝

，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1.

3．折射率的决定因素：

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．

4．解决光的折射问题的基本思路

（1）根据题意画出正确的光路图．

（2）利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线的夹角．

（3）利用折射定律n＝

、折射率与光速的关系n＝

列方程，结合数学三角函数的关系进行计算．

[题组训练]

1．（对折射率定义式的理解）（多选）光从某介质射入空气，入射角θ1从零开始增大到某一值的过程中，折射角θ2也随之增大，则下列说法正确的是（　　）

A．比值

不变

B．比值

不变

C．比值

是一个大于1的常数

D．比值

是一个小于1的常数

[解析]　因折射率不变，可知

不变，A错误，B正确；又入射角小于折射角，所以

<1，C错误，D正确．

[答案]　BD

2．（折射率的计算）一束光线射到一个玻璃球上，如图所示．该玻璃球的折射率是

，光线的入射角是60°.求该束光线射入玻璃球后第一次从玻璃球射出的方向．（用与入射光线的夹角表示）

[解析]　光线射入玻璃球后第一次从玻璃球射出的光路如图所示．由折射定律得

＝n，

＝

，r1＝30°.

由△AOB为等腰三角形，则i2＝r1＝30°.故r2＝i1＝60°，

由几何关系知

∠1＝∠2＝30°，又由图知，∠3是出射光线相对于入射光线的偏折角，且∠3＝∠1＋∠2.联立以上各式解得∠3＝60°，即第一次从玻璃球射出的光线与入射光线的夹角为60°.

[答案]　与入射光线的夹角为60°

要点三　测定玻璃的折射率——实验型

[合作探究]

如图是测定玻璃折射率的方法——插针法，请描述该方法的原理．

提示：

用插针法确定入射光线与折射光线，然后画出入射角θ1和折射角θ2，然后用n＝

，计算玻璃的折射率．

[知识精要]

1．实验目的：

掌握测定玻璃折射率的方法．

2．实验原理

用插针法找出跟入射光线相对应的折射光线O′B，画出入射角θ1和折射角θ2，用量角器测入射角θ1和折射角θ2，根据折射定律计算出玻璃的折射率：

n＝

.

3．实验器材

两面平行的玻璃砖、方木板、白纸、图钉（若干）、大头针四枚、直尺、量角器、铅笔．

4．操作步骤

（1）将白纸用图钉钉在平木板上．

（2）在白纸上画出一条直线aa′作为真空与玻璃的交界面，过aa′上的一点O作垂线NN′，作为界面的法线，并画一条线段AO作为入射光线，入射角θ1＝∠AON，使θ1适当大些．

（3）把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′.

（4）在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像．再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置．

（5）移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′，连接直线O′O，O′O就代表了沿AO方向入射的光线在aa′界面上的折射光线，折射角θ2＝∠O′ON′.

（6）用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中．

5．数据处理

方法一：

计算法．通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，得出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝

中求多次不同入射角时n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率．

方法二：

单位圆法．在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OO′（或OO′的延长线）交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图甲所示．

由于sinθ1＝

，sinθ2＝

而CO＝DO＝R

则折射率n＝

＝

重复以上实验，求得各次折射率的计算值，然后求其平均值，即为玻璃砖折射率的测量值．

方法三：

图象法．根据折射定律可得n＝

因此有sinθ2＝

sinθ1

在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以sinθ1值为横坐标、以sinθ2值为纵坐标，建立直角坐标系，如图乙所示．描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线．

求解图线斜率，设斜率为k，则k＝

，故玻璃砖折射率n＝

.

6．注意事项

（1）实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些．

（2）入射角θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大．

（3）在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线．

（4）在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变．

（5）玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5cm以上．若宽度太小，则测量误差较大．

7．实验误差

（1）入射光线和出射光线画得不够精确．因此，要求插大头针要竖直，两大头针间距应稍大．

（2）入射角、折射角测量不精确．为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱．

[题组训练]

1．（玻璃折射率的测定）某组同学用插针法测平行玻璃砖的折射率，记录下入射光线、折射光线、出射光线后，以入射点O为圆心画单位圆，用直尺测得有关线段的长度，如图所示．下面四个表达式中，正确地表达了折射率的关系式是（　　）

A．n＝

B．n＝

C．n＝

D．n＝

[解析]　折射率的计算式是n＝

，只要能求出sinθ1和sinθ2，就能计算出n.如题图所示，设圆的半径为R，∠AOB为入射角，∠EOF为折射角，则sinθ1＝sin∠AOB＝

，sinθ2＝sin∠EOF＝

，n＝

＝

，则B项正确．

[答案]　B

2.（折射率的计算）如图所示，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60°，已知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行．此玻璃的折射率为（　　）

A.

B．1.5

C.

D．2

[解析]　根据题意画出光的传播光路图如图所示．作OD使其与入射光和出射光平行，由几何知识得∠AOB＝60°＋60°＝120°，所以∠ACB＝60°，得到折射角为30°，所以n＝

＝

，则C项正确．

[答案]　C

3．（测定玻璃的折射率）在利用“插针法”测定玻璃砖折射率的实验中：

（1）甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa′和bb′后，不小心碰了玻璃砖使它向aa′方向平移了少许，如图1所示．则他测出的折射率将________（选填“偏大”“偏小”或“不变”）．

（2）乙同学在画界面时，不小心将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃砖宽度大些，如图2所示，则他测得的折射率________（选填“偏大”“偏小”或“不变”）．

[解析]　

（1）如图1所示，甲同学利用“插针法”确定入射光线、折射光线后，测得的入射角、折射角没有受到影响，因此测得的折射率将不变．

（2）如图2所示，乙同学利用“插针法”确定入射光线、折射光线后，测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角大，因此测得的折射率偏小．

[答案]　

（1）不变　

（2）偏小

课堂归纳小结

[知识体系]

[本节小结]

1．光的折射的理解：

（1）光的方向；

（2）光的速度；（3）入射角与折射角的大小关系；（4）在光的折射现象中，光路具有可逆性．

2．对折射定律的理解（要点二题组训练1,2）：

（1）n＝

；

（2）n＝

；（3）折射率的决定因素：

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．

3．解决光的折射问题的基本思路

（1）根据题意画出正确的光路图．

（2）利用几何关系确定光路图中的边、角关系．

（3）利用折射定律n＝

、折射率与光速的关系n＝

列方程，结合数学三角函数的关系进行计算.