高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-4第十三章 光1 光的反射和折射教学设计

第十三章 第1节   光的折射

【教学目标】

（一）知识与技能

1、知道光在反射与折射时光路是可逆的，并能解释与处理相关的问题

2、掌握光的反射定律与折射定律；知道折射率（指绝对折射率）的定义及其与光速的关系，并能用来进行计算

（二）过程与方法

通过实验、讨论及教师的引导，理解折射定律、并知道折射光路是可逆的，并能解释光现象和计算有关的问题；经历测定玻璃折射率的实验，体会其中蕴含的实验方法。

（三）情感态度与价值观

通过生活中大量的折射现象的分析，激发学生学习物理知识的热情，并正确认识生活中的自然现象，树立正确的世界观．

【教学重点与难点分析】

教学重点：重点是光的折射定律、折射率

教学难点：如何利用折射定律，折射率与光速的关系，以及光路可逆的知识解决相关问题。

【教学过程】

（一）提出问题，引入新课

实验演示：将激光演示仪接通电源，暂不打开开关，将烟雾发生器点燃置入光的折射演示器中，将半圆柱透明玻璃放入对应的位置．打开开关，将激光管点燃，让一束激光照在半圆柱透明玻璃的平面上，让光线垂直于平面过圆心入射(沿法线入射)，观察光从空气射到空气与玻璃的分界面时，发生什么现象？

生观察并回答：一部分光返回到空气中去（反射光），另一部分光会进入到玻璃中去，但传播方向与入射光的传播方向相比，发生偏折。

师强调：

一、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种介质的现象，叫做光的折射。

复习光的反射定律及反射光路可逆知识。

二、光的反射定律：

1、反射光线、入射光线、法线在同一平面内．反射光线，入射光线在法线两侧

2、反射角等于入射角．

　在反射现象中，光路是可逆的．

师：从刚才的复习可知，我们在初中对于反射的了解已经非常到位了，但对于折射，还只是知道了一些定性的规律，如：折射光线跟入射光线和法线在同一平面内；折射光线和入射光线分居在法线的两侧；当光从空气斜射入水或玻璃中时，折射角小于入射角；当光从水或玻璃斜射入空气中时，折射角大于入射角。

我们今天要定量地进行研究．

（二）新课教学

三、光的折射定律

结合图2，复习入射角i和折射角r的概念。

1、入射角i：是入射光线与法线之间的夹角．

折射角r：是折射光线与法线之间的夹角．

演示：将光的激光演示仪接通电源，暂不打开开关，将烟雾发生器点燃置入光的折射演示器中，将半圆柱透明玻璃放入对应的位置．打开开关，将激光管点燃，让一束激光照在半圆柱透明玻璃的平面上，让光线垂直于平面过圆心入射(沿法线入射)，观察折射情况：a．角度，b．明暗程度与入射光线进行对比．然后改变（增大）入射角进行记录，再次观察能量改变的情况．最后进行概括、归纳、小结．

2、在两种介质的分界面上入射光线、反射光线、折射光线的能量分配．我们可以得出结论：随入射角的增大，反射光线的能量比例逐渐增加，而折射光线的能量比例逐渐减小。

在光的折射现象中，入射角与折射角间究竟有什么样的定量规律？原来在一千多年前，人们就开始在思考、探索这个问题。根据历史记载，在探索光的折射规律的实践中，做出过重要贡献的科学家有托勒密、开普勒、斯涅尔、笛卡儿、费马、斯涅耳等人，他们研究的内容包括传播方向规律，传播速度规律、能量分配规律等等。其中，在这方面成就最大的科学家是荷兰数学家斯涅耳。本节课，我们主要学习他在研究传播方向与速度方面的成就——投影展示斯涅耳当年让光线从空气射入某种玻璃的实验过程中一组实验数据，让学生进行计算(用计算器)。

 通过分析表中数据可以得出结论：

入射角的正弦跟折射角的正弦成正比．如果用n来表示这个比例常数，就有

这就是光的折射定律，也叫斯涅耳定律．

（1621年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量数据后得出的入射角与折射角间的关系）

3、折射定律：

(1)折射光线跟入射光线和界面的法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧；

(2)入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。如果用n表示这个比例常数，就有  = n12 

演示：如果使光线逆着原来的折射光线到界面上，折射光线就逆着原来的入射光线射出，这就是说，在折射现象中光路也是可逆的．(在反射现象中，光路也是可逆的)

4、折射光路是可逆的。

四、折射率

光从一种已知介质1射入另一种已知介质2时，虽然入射角的正弦跟折射角的正弦之比为一常数n，但进一步的实验研究表明，折射定律中的比例常数n并不是一个“万古不变”的常数，只要改变两种介质中的任何一种，n将随之改变，如：空气到玻璃——1.50；空气到水——1.33；水到玻璃——1.13；…

因此，这个比例常数只与两种介质的性质有关。在实际应用中，遇到最多的情形是光从空气射入某种介质，或从某种介质射入空气，而空气对光的传播影响很小，可以按真空处理。因此，以后我们只讨论光从真空射入介质的情形。这时，常数n12可以简单地记为n。

对于不同的介质来说，常数n是不同的，它与介质有关，是一个反映介质光学性质的物理量。在相同的入射角下，常数n越大，光线从空气斜射入这种介质时偏折的角度越大。――引入折射率的定义。

1、折射率n：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦的比值n ，叫做这种介质的折射率。

物理意义：折射率是一个反映介质光学性质的物理量。折射率n越大，光线偏折越大

每种透明介质的折射率都有一个固定值，下表展示了几种常见介质的折射率——

从表中可以看出，空气的折射率非常接近于1 ，所以，我们可以把空气介质近似看成真空。

师：材料折射率的存在，不仅可以改变光的传播方向，还能改变光的传播速度。光在介质中的传播速度v和真空中的光速c 、材料n之间有以下关系

2、光的传播速度和折射率的关系：v = C / n。（也可用惠更斯原理导出）

鉴于真空之外的任何介质的折射率都大于1 ，所以，光在真空之外任何介质的传播速度都小于c 。

（三）知识运用

1、提供以下实验器材：玻璃砖一块；白纸；木板；大头针；图钉；三角板；量角器；铅笔。设计一实验测定所给玻璃砖的折射率。（讨论时，可参考课本第48页的实验，说出实验原理并写出实验步骤）

学生讨论，实验原理：如图1-67所示，要确定通过玻璃砖的折射光线，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′D，就能求出折射光线OO′和折射角r。再根据折射定律就可计算玻璃的折射率n=sini/sinr

【实验步骤】

(1)把白纸用图钉钉在木板上。

(2)在白纸上画一条直线a作为玻璃砖的上界面，画一条线段AO作为入射光线，并过O点画出界面a的法线NN′。

(3)把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边跟a严格对齐，并画出玻璃砖的另一个长边a′。

(4)在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2。

(5)在玻璃砖的a′一侧竖直地插上大头针P3，调整眼睛观察的视线，要使P3恰好能挡住P1和P2在玻璃砖中的虚像。

(6)用同样的方法在玻璃砖的a′一侧再插上大头针P4、使P4能同时挡住P3本身和P1、P2的虚像。

(7)记下P3、P4的位置，移去玻璃砖和大头针。过P3、P4引直线O′D与a′交于O′点，连接O、O′，OO′就是入射光AO在玻璃砖内的折射光线的方向。入射角i=∠AON，折射角r=∠O′ON′。

(8)用量角器量出入射角i和折射角r。

(9)从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值，记入自己设计的表格里。

(10)用上面的方法分别求出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角。查出入射角和折射角的正弦值，把这些数据也记在表格里。

(11)计算出不同入射角时sini/sinr的值，比较一下，看它们是否接近一个常数。求出几次实验中测出的sini/sinr的平均值，就是玻璃的折射率。

师：为了减小实验误差，要注意以下事项：

(1)玻璃砖的折射面a、a′必须画准确，才能确定法线，准确地画出入射角和折射角。（用手拿玻璃砖时，不能触摸光洁的光学面。严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的两个折射面a、a′。

(2)实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动。

(3)大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两枚大头针P1和P2间、P3和P4间的距离应尽量大一些，以减少确定光路方向时造成的误差。

(4)实验时入射角应适当地大些，以减小测量角度的误差；但入射角也不宜过大，否则在a′一侧要么看到P1、P2的像模糊不清，不便于插大头针P3、P4。

(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。

2、光线从空气射入 的介质中，反射光线恰好垂直于折射光线，则入射角约为多少？

　　解：根据光的反射定律有入射角 跟反射角 相等 ，根据题意折射光线与反射光线垂直，即两光线的夹角为90°，则反射角 与折射角 互余，即 ，则 ．

　　又根据折射率的定义式：

　　  　　 　　所以： ．

3、如图一个储油桶的底面直径与高均为d．当桶内没有油时，从某点Ａ恰能看到桶底边缘的某点Ｂ。当桶内油的深度等于桶高的一半时，仍沿ＡＢ方向看去，恰好看到桶低上的点C，Ｃ、Ｂ两点距离d/4．求油的折射率和光在油中传播的速度。

【同步练习】

 1、人看到沉在水杯底的硬币，其实看到的是：（      ）

　　A、硬币的实像，其位置比硬币实际所在位置浅

　　B、硬币的实体，其位置即硬币的实际位置

　　C、硬币的虚像，但位置比硬币的实际位置浅

　　D、硬币的虚像，其位置比硬币的实际位置深

2、如图所示，在两束光的交点P前，放一块长方形的玻璃砖则交点位置：（    ）

　　A、不变          　　B、向左

　　C、向右　　D、可能向左、也可能向右，由光的颜色决定的

3、光线以某一入射角从空气进入折射率为 的玻璃中，折射光线与反射光线恰好垂直，则入射角等于(       ）

　　A、30°　　B、45°　　C、60°　　D、80°

4、光从某种介质射入空气中，入射角i从零开始逐渐增大时，折射角r也随之增大，下述说法正确的是（    ）

　　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

5、观察者看见太阳刚从地平线升起时，关于太阳位置的叙述正确的是（       ）

　　A、太阳位于地平线之上、　　B、太阳位于地平线之下

　　C、太阳位于地平线     　　D、大气密度不知，无法判断

6、水的折射率等于 4 / 3,玻璃的折射率等于 3 / 2，光在水中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比等于________．

7、玻璃的折射率是1.50，水晶的折射率是1.55，让一块厚度为1cm的玻璃片与一块水晶片叠放在一起，若光线垂直射入时，通过它们所用时间相等，则水晶片厚度是______cm、

8、如图示，有一长方形容器，高为30cm，宽为40cm，在容器的

底部平放着一把长40cm的刻度尺。眼睛在OA的延长线上的E

点观察，视线沿着EA斜着向下看恰能看到尺的左端的零刻度。

现保持眼睛的位置不变，向容器内倒入某种液体，将容器装满，

仍沿EA方向观察，恰能看到尺上20cm的刻度，则此液体的折射

率为                       。

9、光在某介质中的传播速度是3/2×108m/s，当光线以30°入射角，由该介质射入空气时，折射角为多少？

　　解：由介质的折射率与光速的关系得：n =C / n　（1）　　又根据介质折射率的定义式得：n=　（2）

　　 折射角，即为所求． 为在介质中光线与法线间的夹角30°．

　　由（1）、（2）两式解得：

　　     　　所以