高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第四章 光1 光的折射教学设计

第四章　光

第1节　光的折射

本节主要讲光的折射定律和折射率的测定，它们是本章的重点，教学中要充分重视。初中学习的这是的知识程度是粗浅的，到这里要进一步深化，折射率是一个全新的知识点，它对于理解全反射非常重要。

【物理观念】按照学生的认知规律，设计力求落实新课标的理念。

【科学思维】巩固和深化了理解折射定律，会利用折射定律解释相关光现象和计算有关问题。

【科学探究】探究理解折射率的概念，会测定玻璃折射率。

 【科学态度与责任】 从实验现象激发学生兴趣引出课题，使学生感受奇妙的物理现象，培养学生的科学素养。

【教学重点】折射定律的应用。折射率的测量。

【教学难点】折射定律与光路可逆原理相结合的应用

一、【引入新课】

想一想：

射水鱼在水中能准确射中水面上不远处的小昆虫。水中的鱼看到小昆虫在什么位置？是在昆虫的上方还是下方？

阳光照射水面时，我们能够看到水中的鱼和草，同时也能看到太阳的倒影，这说明：光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分光返回到空气中。一般说来，光从第 1 种介质射到该介质与第 2 种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫作光的反射；另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫作光的折射。光在反射时遵从反射定律，光在折射时遵从什么规律呢？

光的反射和折射同时发生

定义：入射光线与法线的夹角θ1称为入射角；

折射光线与法线的夹角θ2称为折射角。

光的反射和折射同时发生

二、【进行新课】

探究点一、折射定律

改变入射光线的方向观察实验现象？

结论：

① 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。

②当光从空气斜射入玻璃中时，折射角小于入

入射角与折射角有什么关系呢？

 1621 年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量实验数据后，找到了两者之间的关系，并把它总结为光的折射定律（refraction law）：

光的折射定律

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；

光的折射定律的说明：

（1）式中 的比例常数与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关。

（2）折射现象中光路是可逆的；

光路可逆

（3）光的传播方向: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。并非一定变化,当光垂直界面入射时,传播方向就不发生变化。

（4）光的传播速度:光从一种介质进入另一种介质时,传播速度一定发生变化,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,光传播的速度发生变化。

(5)光从一种介质进入另一种介质时,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而定。

(6)当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时,入射角大于折射角,当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时,入射角小于折射角。

探究点二、折射率

光的折射律

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，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率（refractive index），用符号 n 表示。真空的折射率为 1，空气的折射率近似为 1

光的折射律的说明

1、由光的折射定律，n是个没有单位的常数；   

2、对不同介质，n的数值不同。比如，光从真空射入玻璃时，n约为1.50；光从真空射入水中时，n约1.33。可见，n与介质有关系，是反映介质光学性质的物理量。

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=。

4、特点:任何介质的折射率都大于1。

5、折射率反映介质对光的偏折作用，n越大光线偏折越厉害。

6、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，因而任何介质的折射率 n 都大于 1。所以，光从真空射入任何介质时，sin θ1 都大于 sin θ2，即入射角总是大于折射角。下表列出了几种介质的折射率。

7、折射率是衡量材料光学性能的重要指标。根据折射定律，可以测量材料的折射率。

表 几种介质的折射率（λ ＝ 589.3 nm t ＝ 20 ℃）

误区：认识折射率的三大误区

误区1:误认为折射率定义式中θ1一定是入射角

产生误区的原因是对折射率定义理解不清,θ1是真空(空气)中的光线与法线的夹角,不一定是入射角;θ2是介质中的光线与法线的夹角,不一定是折射角。

误区2:误认为介质的密度越大,折射率越大

这是由于不理解折射率和密度的关系,介质的折射率和密度没有必然的联系,密度大,折射率不一定大。

误区3:误认为折射率n与sin θ1成正比,与sin θ2成反比

其原因是对n=只从数学表达式上理解,不理解折射率n的实质,其大小与入射角、折射角的大小无关。

利用光的折射解决实际问题

铅笔弯曲的现象

测量玻璃砖的折射率

实 验：

测量玻璃的折射率

 如图当光以一定的入射角透过一块两面平行的玻璃砖时，只要找出与入射光线 AO相对应的出射光线O′D，就能够画出光从空气射入玻璃后的折射光线 OO′，于是就能测量入射角 θ1、折射角 θ2。 根据折射定律，就可以求出玻璃的折射率了。

 怎样确定与入射光线 AO 相对应的折射光线 OO′？

测量玻璃的折射率

实验原理：

实验方法：用插针法研究某一条光线经过平行玻璃砖，测出折射角和入射角。

实验器材：玻璃砖、白纸、大头针若干、铅笔、直尺、量角器。

实验方法：用插针法研究某一条光线经过平行玻璃砖，测出折射角和入射角。

实验步骤：

（1）铺纸（将白纸用图钉固定在木板上）；

（2）在白纸上画一条线aa’作为界面，过aa’上的一点O（作为入射点）画法线

N’N,并画AO作为入射光线；

（3）把玻璃砖放在白纸上，使它的一边与aa’对齐（确保O为实际入射点)，

确定（如何确定，联想验证平行四边形定则实验中记录力的方向）玻璃砖的

另一界面bb’(确保出射点准确）

（4）在直线AO上竖直插大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线让P2挡住P1的像。再在另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、P2、P1的像，记下P3、 P4位置。

（5）移去在大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线DC与bb’交于o’（作为实际出射点），直线O’D代表沿AO方向入射光通过玻璃砖后的传播方向。

（6）连接OO’，入射角i=∠AON’,折射角r＝ ∠NOO’，用量角器量出入射角和折射角，求出对应的正弦值，记录在表格中。

（7）用上述方法求出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角，查出它们的正弦值代入计算。

（8）算出不同入射角时的入射角与折射角的正弦比值，最后求出几次实验的平均值为折射率。

注意事项：

（1）入射角一般取15°→75°为宜 （太小，相对误差大；太大,使折射光线弱，不易观察）

（2）插针要竖直，且间距适当大些（精确确定光路）

（3）插针法实验，玻璃砖不能动（移动会改变光路图 ）

（4）确定边界线时严禁把玻璃砖当尺子用（损坏玻璃砖），画边界线时描两点确定边界线。

（5）玻璃砖宽度在5cm以上（让折射光线长点以减小误差）

课堂重点知识小结

随堂练习

例1一束单色光从真空斜射向某种介质的表面，光路如图所示，求该介质的折射率

【答案】：

【解析】：由题图及折射率定义得，

例2、（单选）在水中的潜水员斜向上看岸边的物体时,看到的物体 (　　)

A.比物体所处的实际位置高

B.比物体所处的实际位置低

C.跟物体所处的实际位置一样高

D.以上三种情况都有可能

【答案】：A

【解析】：物体反射的光斜射到水面上,会发生折射现象,当光进入水中后靠近法线射入潜水员眼睛,而潜水员由于错觉,认为光始终沿直线传播,逆着光的方向看上去而形成虚像,所以潜水员在水中看见岸上的物体,实际是变高了的物体的虚像,A正确。

例3、（单选）一条光线以40°的入射角从真空射到平板透明材料上,光的一部分被反射,一部分被折射,折射光线与反射光线的夹角可能是              (　　)

A.小于40°　　　　　　                B.在50°～100°

C.在100°～140°                     D.大于140°

【答案】：C

【解析】：由=n>1,得折射角θ2<θ1=40°,由反射定律得θ3=θ1=40°,如图所示,故折射光线与反射光线的夹角φ=180°-θ3-θ2=140°-θ2,所以100°<φ<140°,故C正确。