高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 光的折射第1课时学案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 光的折射第1课时学案设计，共10页。

知识点一 折射定律
1．光的反射和光的折射
(1)光的反射：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，这种现象叫作光的反射。如图所示。
(2)光的折射：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光进入第2种介质的现象。
2．折射定律
(1)内容：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eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n12。
(2)在光的反射和折射现象中，光路是可逆的。
光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一定发生变化吗？
提示：不一定，垂直射入时，不发生变化。
1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)反射定律是确定反射光线位置的规律。(√)
(2)光在同一种均匀介质中传播时，也可以发生折射现象。(×)
知识点二 折射率
1．定义
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。
2．物理意义
反映介质的光学性质的物理量。
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＝eq \f(c,v)。
4．特点
任何介质的折射率n都大于1。
2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)当光从空气垂直进入水中时，水的折射率为0。(×)
(2)折射率大的介质，密度不一定大。(√)
(3)光发生折射时，入射角增大为原来2倍，则折射角也增大为原来的2倍。(×)
(4)介质的折射率越大，光在该介质传播越快。(×)
3：填空
一束光从真空进入某介质，方向如图所示，则该介质的折射率为______，若光在真空中的传播速度为c，则光在该介质中的传播速度为________。
[答案] eq \r(2) eq \f(\r(2),2)c
将一根筷子斜插入装有水的茶缸中，可以看到水中的筷子向上弯了。如何解释观察到的现象？
提示：水中的筷子发生了折射现象。
考点1 光的折射定律
1．光的方向：光从一种介质斜射进入另一种介质时，传播方向要发生变化。
2．光的传播速度：由v＝eq \f(c,n)知，光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化。
当光垂直于界面入射时，光的传播方向不变，但这种情形也属于折射，光的传播速度仍要发生变化。
3．入射角与折射角的大小关系：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。
【典例1】 如图所示，光线以入射角θ1，从空气射向折射率为n＝eq \r(2)的玻璃表面。
(1)当入射角θ1＝45°时，反射光线与折射光线间的夹角θ为多大？
(2)当入射角θ1为多少时，反射光线与折射光线垂直？(用反三角函数表示)
思路点拨：本题主要考查反射角、入射角和折射角的概念，首先应弄清反射角、折射角和入射角的含义，然后根据光路图，利用几何知识解题。
[解析] (1)由折射定律有n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)，解得sin θ2＝eq \f(sin θ1,n)＝eq \f(1,2)，则θ2＝30°，由反射定律得θ′1＝θ1＝45°，由几何关系可知反射光线与折射光线间的夹角为θ＝180°－θ′1－θ2＝105°。
(2)当反射光线与折射光线垂直时，θ′1＋θ2＝90°
则n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(sin θ1,cs θ1′)＝eq \f(sin θ1,cs θ1)＝tan θ1＝eq \r(2)
故θ1＝arctaneq \r(2)。
[答案] (1)105° (2)arctaneq \r(2)
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、折射角分别是入射光线、折射光线与法线的夹角。
(3)利用折射定律n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)、折射率与光速的关系n＝eq \f(c,v)列方程，结合数学三角函数的关系进行运算。
[跟进训练]
1．如图所示，光在真空和某介质的界面MN上发生折射，由图可知下列说法错误的是( )
A．光是从真空射入介质的
B．光是由介质射入真空的
C．介质的折射率为eq \r(3)
D．反射光线与折射光线的夹角为90°
A [根据题图可知，入射角为30°，折射角为60°，反射光线与折射光线垂直，光是从介质射入真空的，折射率n＝eq \f(sin r,sin i)＝eq \f(sin 60°,sin 30°)＝eq \r(3)，只有B、C、D正确。]
考点2 折射率的理解与计算
1．对折射率的理解
(1)折射率
n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)，θ1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；而θ2为介质中的光线与法线的夹角，也不一定为折射角。
(2)折射率n是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角的大小无关，与介质的密度没有必然联系。
2．折射率与光速的关系：n＝eq \f(c,v)
(1)光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关，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。
(2)某种介质的折射率越大，光在该介质中的传播速度越小。
角度1 折射率的理解
【典例2】 关于折射率，下列说法中正确的是( )
A．根据eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n可知，介质的折射率与入射角的正弦成正比
B．根据eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比
C．根据n＝eq \f(c,v)可知，介质的折射率与介质中的光速成反比
D．同一频率的光由第一种介质进入第二种介质时，折射率与波长成正比
C [介质的折射率是表示介质的光学特性的物理量，由介质本身决定，与入射角和折射角的正弦无关，故A、B错误；由于真空中光速是个定值，根据n＝eq \f(c,v)可知，介质的折射率与介质中的光速成反比，故C正确；由v＝λf知，当f一定时，v与λ成正比，由于n与v成反比，故折射率与波长成反比，故D错误。]
角度2 折射率的计算
【典例3】 (2021·浙江6月选考)用激光笔照射透明塑料制成的光盘边缘时观察到的现象如图所示。入射点O和两出射点P、Q恰好位于光盘边缘等间隔的三点处，空气中的四条细光束分别为入射光束a、反射光束b、出射光束c和d。已知光束a和b间的夹角为90°，则( )
A．光盘材料的折射率n＝2
B．光在光盘内的速度为真空中光速的三分之二
C．光束b、c和d的强度之和等于光束a的强度
D．光束c的强度小于O点处折射光束OP的强度
D [根据题目已知条件，光路图如图所示，
由此可知n＝eq \f(sin 45°,sin 30°)＝eq \r(2)，选项A错误；根据n＝eq \f(c,v)可知，光在介质中的速度为v＝eq \f(c,\r(2))，选项B错误；根据能量守恒，若忽略光在传播过程中的能量衰减，入射光a的强度应该等于所有折射光和反射光的强度之和，选项C错误；在P处，入射光OP的强度应等于折射光c和反射光PQ强度之和，选项D正确。]
(1)折射率是反映介质的光学性质的物理量，在关系式n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)中，入射角相同的情况下，比较折射角的大小就可以比较折射率的大小。
(2)v＝eq \f(c,n)是光在介质中的传播速度与折射率、光速的关系。
[跟进训练]
2．(角度1)关于折射率，下列说法正确的是( )
A．某种介质的折射率等于光在介质中的传播速度v与光在真空中的传播速度c的比值
B．折射角和入射角的大小决定着折射率的大小
C．两种介质相比较，折射率小的介质折光能力较强
D．任何介质的折射率都大于1
D [某种介质的折射率等于光在真空中的传播速度c与光在介质中的传播速度v的比值，A错误；折射率与折射角和入射角的大小无关，B错误；折射率小的介质折光能力较差，C错误；某种介质的折射率等于光在真空中的传播速度c与光在介质中的传播速度v的比值，由于光在真空中的传播速度最大，因此任何介质的折射率都大于1，D正确。]
3．(角度2)如图所示，一单色光由介质Ⅰ射入介质Ⅱ，在界面MN上发生偏折。下列说法正确的是( )
A．该光在介质Ⅰ中传播的速度大
B．该光在介质Ⅱ中传播的速度大
C．该光在介质Ⅰ中和介质Ⅱ中传播的速度之比为eq \r(3)∶1
D．该光在介质Ⅱ中和介质Ⅰ中传播的速度之相等
B [由题图知该光在介质Ⅱ中的折射角较大，则介质Ⅰ的折射率大于介质Ⅱ的折射率，根据折射率与光速的关系可知光在介质Ⅱ中传播的速度大；介质Ⅰ相对介质Ⅱ的折射率为n＝eq \f(sin 60°,sin 30°)＝eq \r(3)，则该光在介质Ⅱ中和介质Ⅰ中传播的速度之比为eq \r(3)∶1。选项B正确。]
1．一束光线从空气射向玻璃，入射角为α。下列四幅光路图正确的是( )
A B
C D
A [一束光线从空气射向玻璃，发生折射，入射角为α，折射角小于入射角α；光线在分界面上还会发生反射，故选项A正确。]
2．关于光的折射现象，下列说法中正确的是( )
A．折射角一定小于入射角
B．折射率跟折射角的正弦值成反比
C．折射率大的介质，光在其中的传播速度小
D．折射角增大为原来的2倍，入射角也增大为原来的2倍
C [光从折射率大的介质射向折射率小的介质时，折射角大于入射角，选项A错误；折射率的大小是由介质本身决定的，与折射角的正弦值无关，选项B错误；根据v＝eq \f(c,n)可知，折射率大的介质，光在其中的传播速度小，选项C正确；根据n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)可知，折射角增大为原来的2倍，入射角不一定也增大为原来的2倍，选项D错误。]
3．某单色光由某种介质射向空气，当入射角为30°时，折射光线与反射光线刚好垂直，则该介质对该种色光的折射率为( )
A．2 B．eq \r(2)
C．1.5D．eq \r(3)
D [当入射角i＝30°时，折射光线与反射光线恰好垂直，则折射角r＝90°－30°＝60°，该介质对该种色光的折射率n＝eq \f(sin 60°,sin 30°)＝eq \r(3)，故A、B、C错误，D正确。]
4．(新情境题，以军事工事为背景，考查折射定律的应用)为了从军事工事内部观察外面的目标，工事壁上开有一长方形孔，设工事壁厚d＝20eq \r(3) cm，孔的宽度L＝20 cm，孔内嵌入折射率n＝eq \r(3)的玻璃砖，如图所示。
试问：
(1)嵌入玻璃砖后，工事内部人员观察到外界的视野的最大张角为多少？
(2)要想使外界180°范围内的景物全被观察到，则应嵌入折射率最小为多大的玻璃砖？
[解析] 工事内部的人从玻璃砖左侧能最大范围观察右边的目标，光路如图所示。
tan β＝eq \f(L,d)＝eq \f(1,\r(3))，可得β＝30°
(1)由折射定律有eq \f(sin α,sin β)＝eq \r(3)
得α＝60°
则视野的张角最大为2α＝120°。
(2)要使视野的张角为180°，则光线从空气射入玻璃砖时最大入射角为90°
由折射定律有eq \f(sin 90°,sin β)＝nmin，解得nmin＝2
应嵌入折射率最小为2的玻璃砖。
[答案] (1)120° (2)2
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．光在两种介质的表面会发生哪些现象？
提示：反射和折射。
2．光的折射定律的内容是什么？
提示：折射光线与入射光线、法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居在法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦成正比。
3．折射率的物理意义是什么？
提示：描述介质对光线偏折能力的大小。
4．如何计算折射率？
提示：n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(c,v)。
对光折射的研究
古希腊科学典籍中关于光折射的实验记载寥寥无几，最早的应该是公元2世纪托勒密所做的光的折射实验。他在一个圆盘上装两把能绕盘心旋转的尺子，将圆盘的一半浸入水中，让光由空气射入水中，就得到它在水中的折射光线，转动两把尺子，使它们分别与入射光线和折射光线重合。然后取出圆盘，按尺子的位置刻下入射角和折射角。托勒密测出的一系列数据是非常精确的，他大致假定了光的入射角和折射角之间有一直接的比例关系。托勒密依靠经验发现了折射的规律，但却没有由此得出精确的折射定律。
1609年，伽利略制成了望远镜，并利用它进行了很多科学观测。这些新的发现激励开普勒对光折射现象进行了深入地研究，并于1611年出版了《折射光学》一书。开普勒的研究表明，对于两种给定的媒质，小于30°的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于玻璃或水晶，这个比约为3∶2。他还指出：这个比对于大的入射角不成立。开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，他的方法虽然是正确的，却没有得到其中有规律性的联系。但是，开普勒的研究为后来斯涅耳得出折射定律起到了一定的启示作用。
1．光的折射现象指的是什么现象？
提示：光从一种介质射入另一种介质中时，传播方向发生改变的现象。
2．光的折射遵循什么规律？
提示：“入射角的正弦与折射角的正弦成正比”，即eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n。
学习任务
1．知道光的反射、折射现象及折射率的概念，能对简单现象进行解释。
2．理解光的反射定律和折射定律，能够应用几何知识分析物理问题。
3．探究光的折射定律，体会科学探究的重要作用。
4．结合生活中的光学现象，培养学生的兴趣。