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4.1 光的折射
《選擇性必修第一冊》 第四章 光
教學目標
1.認識光的反射及折射現象，知道法線、入射角、反射角、折射角的含義。
2.通過實驗探究，理解折射率的概念和光的折射定律。
3.會測量玻璃等材料的折射率，通過實驗體會光線模型的建構過程。
目錄
03
實驗：測定玻璃的折射率
01
02
折射率
折射定律
課堂引入
觀察以下視頻，你知道射水魚在水中能準確射中水面上不遠處的小昆蟲。水中的魚看到小昆蟲在什么位置？是在昆蟲的上方還是下方？
課堂引入
為什么泳池水看起來比實際的淺呢？
海市蜃樓是怎么形成的？
光的折射
（一）光的反射
問題：陽光照射水面時，我們能夠看到水中的魚和草，同時也能看到太陽的倒影，這說明什么？
光從第 1 種介質射到該介質與第 2 種介質的分界面時，一部分光會返回到第1種介質，這個現象叫作光的反射。
光的反射有什么規律？
入射光線
反射光線
法線
入射角
反射角
光路可逆
界面
（1）反射光線與入射光線、法線在同一平面
（2）反射光線和入射光線分居法線兩側
（3）反射角等于入射角
（二）實驗演示
認真觀察實驗，光從玻璃中入射到空氣中，發生了什么現象？
一部分反射了反射，
一部分傳播到空氣中
光的折射有什么規律？
（三）光的折射
1.光的折射
光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向發生改變的現象。
N
N′
空氣
玻璃
i
r
O
A
B
界面
法線
入射光線
折射光線
入射角
折射角
(
(
反射光線
（三）光的折射
(1)折射光線、入射光線、法線在同一平面內
(2)折射光線和入射光線分居法線兩側
(3)當光從空氣斜射入玻璃中時，折射角小于入射角
(4)當光從玻璃斜射入空氣中時，折射角大于入射角
(5)當入射角增大時，折射角也隨著增大
2.光的折射定律
N
N′
空氣
玻璃
i
r
O
A
B
界面
法線
入射光線
折射光線
入射角
折射角
(
(
反射光線
入射角與折射角有什么定量關系呢？
（三）光的折射
以光從空氣射入玻璃為例，折射角和入射角的關系
入射角i
10
30
40
50
60
70
80
折射角r
6.6
19.5
25.4
30.7
35.3
38.8
41.1
i / r
1.51
1.54
1.57
1.63
1.70
1.80
1.95
sini/sinr
1.51
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
實驗結論：入射角的正弦跟折射角的正弦成正比
如果將玻璃換成其它介質，入射角和折射角的正弦之比是否具有相同的結論？
（三）光的折射
sini/sinr
1.51
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
入射角i
10
20
30
40
50
60
70
80
折射角r
6.6
13.2
19.5
25.4
30.7
35.3
38.8
41.1
玻璃
水
折射角r
7.5
14.9
22.1
28.9
35.2
40.6
45
47.8
sini/sinr
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
金剛石
折射角r
4.1
8.1
11.9
15.4
18.5
21
22.9
24
sini/sinr
2.42
2.43
2.42
2.42
2.41
2.42
2.41
2.42
總結：光從一種介質進入到另一種介質時，總有入射角的正弦與折射角的正弦之比相等。
（三）光的折射
斯涅耳
1621 年，荷蘭數學家斯涅耳在分析了大量實驗數據后，找到了兩者之間的關系，并把它總結為光的折射定律。
入射光線、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:
（三）光的折射
說明：
（1）折射現象中光路是可逆的；
（2）光的傳播方向: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。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。
（3）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,但也屬于折射,光傳播的速度發生變化。
（一）思考與討論
你還能發現什么規律？
常數與介質有關系，是一個反映介質的光學性質的物理量。常數越大，光線以相同入射角從真空斜射入這種介質時偏折的角度越大。
（二）折射率
說明：（1）n的大小與θ1和θ2無關，與介質和入射光的頻率有關，對于確定的介質，n是定值，不能說n∝sinθ1或n∝1/sinθ2
（2）折射率無單位，任何介質的折射率皆大于1。
2.定義式:
（3）折射率反映介質對光的偏折作用，n越大光線偏折越厲害。
1.定義：光從真空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。用符號 n 表示。
說明：
(4)光從一種介質進入另一種介質時,折射角與入射角的大小關系不要一概而論,要視兩種介質的折射率大小而定。
(5)當光從折射率小的介質斜射入折射率大的介質時,入射角大于折射角,當光從折射率大的介質斜射入折射率小的介質時,入射角小于折射角。
（二）折射率
課堂練習
1．某同學觀察一束光從空氣射向水中的反射和折射現象，畫出的光路圖正確的是（ 　）
A． B．
C． D．
B
課堂練習
2．一束紅光由空氣進入某種介質，界面兩側的光線與界面的夾角分別為45°和60°，如圖所示。則介質對該紅光的折射率為（　　）
A． B．
C． D．
D
【例題】如圖一個儲油桶的底面直徑與高均為d．當桶內沒有油時，從某點A恰能看到桶底邊緣的某點B。當桶內油的深度等于桶高的一半時，仍沿AB方向看去，恰好看到桶低上的點C，CB兩點距離d/4．求油的折射率和光在油中傳播的速度。
Ｂ
Ａ
d
C
O
D
N
Nˊ
θ2
解：
測定玻璃磚的折射率（一）實驗思路
玻璃是一種透明介質，光從空氣入射到玻璃的界面上會發生折射，如何把玻璃的折射率測出來？
思路：選取一塊玻璃磚按在白紙上，作出玻璃磚的輪廓，然后作出入射玻璃磚的光線和出射玻璃磚的光線，最后連接入射點和出射點的光線，這就是折射光線。最后測出入射角和折射角的大小，代入公式就可以得出答案。
（一）實驗思路
如何作出入射光線和出射光線？
在白紙上畫一條直線aa′，并取aa′上的一點O為入射點，作過O的法線NN′，畫出線段AO作為入射光線，并在AO上插上P1、P2兩根大頭針，在白紙上放上玻璃磚，使玻璃磚的一條長邊與直線aa′對齊，并畫出另一條長邊的對齊線bb′，再在另一側豎直插上兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P3、P2、P1的像，記下P3、P4位置；
（二）實驗方案
請設計出實驗方案，并與其他同學交流？
（三）數據分析
如何進行數據分析才能得出結論？
1．平均值法
算出不同入射角時的比值 ，最后求出在幾次實驗中所測的 平均值，即為玻璃磚的折射率。
2．圖象法
以sin θ1值為橫坐標、以sinθ2值為縱坐標，建立直角坐標系，如圖1所示。描數據點，過數據點連線得一條過原點的直線。求解圖線斜率k，則 ，故玻璃磚折射率 。
（三）數據分析
如何進行數據分析才能得出結論？
3．作圖法
在找到入射光線和折射光線以后，以入射點O為圓心，以任意長為半徑畫圓，分別與AO交于C點、OO′(或OO′的延長線)交于D點，過C、D兩點分別向NN′作垂線，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的長，如圖 2所示。由于 ， ，且CO＝DO，所以折射率 。
（四）注意事項
做該實驗時需要注意什么事項？
(1)實驗時，盡可能將大頭針豎直插在紙上，且P1和P2之間，P2與O點之間，P3與P4之間，P3與O′點之間距離要稍大一些。
(2)入射角θ1應適當大一些，以減小測量角度的誤差，但入射角不宜太大，也不宜太小。
(3)在操作時，手不能觸摸玻璃磚的光潔面。更不能把玻璃磚界面當尺子畫界線。
(4)在實驗過程中，玻璃磚與白紙的相對位置不能改變。
(5)玻璃磚應選用寬度較大的，宜在5 cm以上。若寬度太小，則測量誤差較大。
（四）注意事項
哪些原因會導致實驗有誤差？
(1)入射光線和出射光線確定得不夠精確，因此要求插大頭針時，兩大頭針間距應適當大一些。
(2)入射角和折射角的測量造成誤差，故入射角應適當大些，以減小測量的相對誤差。
課堂小結
光的折射
折射定律：
入射光線、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：
折射率
公式：
測定玻璃的折射率
實驗：
定義：光從真空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。用符號 n 表示。
課后作業
1．在圖中的虛線表示兩種介質的界面及其法線，實線表示一條光線射向界面后發生反射和折射的光線，以下說法正確的是（　　）
①bO不可能是入射光線
②aO不可能是入射光線
③cO不可能是入射光線
④Ob一定是反射光線
A．①②③ B．①②④ C．②③④ D．①③④
D
課后作業
2．（多選）a、b兩種單色光以相同的入射角從某種介質射向真空，光路如圖所示，則以下敘述正確的是（ ）
A．在該介質中a光的傳播速度大于b光的傳播速度
B．在該介質中a光的傳播速度小于b光的傳播速度
C．該介質對b光的折射率大于對a光的折射率
D．該介質對b光的折射率小于對a光的折射率
AC
課本89頁：練習與應用1,2,3,4,5,6題。

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