資源簡介

4.1 光的折射
學習目標
1、認識光的反射及折射現象。
2、理解折射定律，會利用折射定律解釋相關光現象和計算有關問題。
3、理解折射率的概念，會測量材料的折射率。
重點難點
1、理解光的折射、入射角、折射角、反射角、法線。（重點）
2、理解折射定律，會利用折射定律計算。（重點）
3、理解折射率的概念，會測量玻璃的折射率。（難點）
4、會用光的折射解釋自然現象。（難點）
自主探究
一、折射定律
1、光的反射現象：光從第1種介質射到它與第2種介質的分界面時，一部分光會返回到第1種介質的現象。
2、光的反射定律：反射光線與入射光線、法線處在同一平面內，反射光線與入射光線分別位于法線的兩側；反射角等于入射角。如圖所示。
3、光的折射現象：光從第1種介質射到它與第2種介質的分界面時，一部分光會進入第2種介質的現象。
4、光的折射定律：折射光線、入射光線與法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。即＝n12。
5、在光的反射和折射現象中光路是可逆的。
二、折射率
1、絕對折射率：光從真空中射入某種介質發生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質的絕對折射率，簡稱折射率，n＝，其中θ1為真空中的入射角。
2、物理意義：反映介質光學性質的物理量。不同的介質有不同的折射率。
3、折射率與光速的關系：某種介質的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質中的傳播速度v之比，即n＝，由于光在真空中的傳播速度c大于在任何介質中的傳播速度v，所以任何介質的折射率n都大于1。
探究思考
一、折射定律的理解與應用
1、光的方向
光從一種介質進入另一種介質時，傳播方向一般要發生變化（斜射），并非一定變化，當光垂直界面入射時，傳播方向就不發生變化。
垂直于界而入射，折射光線不偏折，但傳播速度仍變化。
射向半圓形玻璃磚圓心的光線不發生偏轉。
2、光的傳播速度
光從一種介質進入另一種介質時，傳播速度一定發生變化，當光垂直界面入射時，光的傳播方向雖然不變，但光傳播的速度發生變化，也屬于折射。
3、入射角與折射角的大小關系
光從一種介質進人另一種介質時，折射角與人射角的大小關系由兩種介質的折射率大小決定。當光從真空斜射入介質時，入射角大于折射角；當光從介質斜射入真空時，入射角小于折射角。
二、折射率的理解
1、物理意義
折射率反映了介質對光的“偏折”本領。折射率大，說明光從真空射入到該介質時偏折大，反之偏折小。
2、定義式
，折射率由介質本身的光學性質和光的頻率決定。
說明：（1）不論是光從真空射入介質，還是從介質射入真空，總是真空中的光線與法線間的夾角，總是介質中的光線與法線間的夾角。因＞，故n>1。
（2）折射率由介質本身性質決定，與入射角的大小無關。不能說n與成正比、與成反比。
（3）折射率與介質的密度沒有關系。
3、公式
；某種介質的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質中的傳播速度v之比。
因，故任何介質的折射率總大于1。光在不同介質中的傳播速度不同。
4、相對折射率
光從介質1射入介質2時，入射角與折射角的正弦之比叫作介質2對介質1的相對折射率。光從真空射入介質的情況屬于特例。
示例 平行玻璃磚、三棱鏡和圓柱體（球）對光路的控制
平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體（球）
結構 玻璃磚上下表面是平行的 橫截面為三角形的三棱鏡 橫截面是圓
對光線的作用 通過平行玻璃磚的光不改變傳播方向，但要發生側移 通過三棱鏡的光經兩次折射后，出射光線向棱鏡底邊偏折 圓界面的法線是過圓心的直線，經過兩次折射后向圓心偏折
應用 測定玻璃的折射率 全反射棱鏡，改變光的傳播方向 改變光的傳播方向
【典例一】1、如圖所示，等腰三角形為一棱鏡的橫截面，頂角為。一束光線從邊入射，從邊射出，已知入射光線與邊的夾角和出射光線與邊的夾角相等，入射光線與出射光線的夾角也為。則該棱鏡的折射率為( )
A． B． C． D．
解題思路：光在介質中傳播的光路圖如圖所示：
根據題意可知，所以，
根據幾何知識有,，
根據折射定律可知,折射率為：，故ABC錯誤，D正確。
故選：D。
答案：D
三、插針法測玻璃磚的折射率
如圖所示，當光以一定的角度透過一塊玻璃磚時，只要找出與入射光線相對應的出射光線，就能夠畫出光從空氣射入玻璃磚后的折射光線，于是就能測量入射角和折射角。根據折射定律，就可以求出玻璃磚的折射率。
【典例二】2、在“測玻璃的折射率”實驗中：
（1）為了取得較好的實驗效果，下列操作正確的是______。
A．必須選用上下表面平行的玻璃磚；
B．選擇的入射角應盡量小些；
C．大頭針應垂直地插在紙面上；
D．大頭針和及和之間的距離適當大些
（2）甲同學在量入射角和折射角時，由于沒有量角器，在完成了光路圖以后，以點為圓心，為半徑畫圓，交延長線于點，過點和點作垂直法線的直線分別交于點和點，如圖所示，若他測得，，則可求出玻璃的折射率______。
（3）乙同學使用同一個玻璃磚完成實驗，卻發現測出的折射率明顯大于理論值，反復檢查實驗操作過程后認為是用鉛筆描出玻璃磚上下表面時候出現了操作失誤，由此可以判斷該同學作出的兩界面間距______玻璃磚的實際寬度。（選填“大于”、“小于”）
解題思路：(1)A、作插針法測定折射率時,玻璃磚上下表面不一定要平行。故A錯誤。
B.為了減小測量的相對誤差，選擇的入射角應盡量大些，效果會更好。故B錯誤。
C.為了準確確定入射光線和折射光線，大頭針應垂直地插在紙面上；故C正確。
D.大頭針和及和之間的距離適當大些時，相同的距離誤差，引起的角度誤差會減小，效果會好些。故D正確。
故選：CD.
(2)如圖，實線是真實的光路圖，虛線是玻璃磚寬度畫大后的光路圖，由圖看出，在這種情況測得的入射角不受影響，但測得的折射角比真實的折射角偏大，因此測得的折射率偏小。
(3)圖中作為入射光線,是折射光線,設光線在玻璃磚上表面的入射角為i,折射角為r,則由幾何知識得到：又,則折射率。
答案：(1)CD
(2)1.75
(3)小于
隨堂訓練
1、某地下工事壁距地面的厚度為，為了從工事內部更好地觀察外界的目標，需在工事壁上開個豎直的圓柱形孔，并在孔內嵌入折射率的玻璃磚，如圖所示。要使工事內部人員觀察到外界視野的最大張角為，則這個圓柱形孔的直徑至少為( )
A. B. C. D.
答案：A
2、是一直角三棱鏡的橫截面，。一細光束從邊以平行于邊的方向入射后直接射到邊，恰好在邊發生全反射，則棱鏡的折射率為( )
A． B． C． D．
答案： A
3、如圖所示,在玻璃磚上方S點發射出的一激光束從A點射入玻璃磚,光線與玻璃磚上表面夾角為30°,光線射出玻璃磚后落在光屏上的P點,玻璃磚厚度,光源到光屏的垂直距離,已知P點與S到光屏的垂足C間的距離為。則該玻璃磚的折射率為( )
A. B. C. D.
答案：B
4、如圖所示為一束光線穿過介質Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ時的光路，則( )
A.介質I的折射率最大
B.介質Ⅱ的折射率最大
C.介質Ⅲ的折射率最大
D.光在介質Ⅱ中傳播速度最大
答案：CD
2

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