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第21章 光的折射

【教学目标】

一、知识目标

1.理解折射定律的确切含义,并能用来解释光现象和计算有关的问题。

2.理解折射率(指绝对折射率)的定义,以及折射率是反映介质光学性质的物理量。

3.知道折射率与光速的关系,并能用来进行计算。

二、能力目标

1.知道折射光线是可逆的,并能解释光现象和计算有关的问题。

2.能解释自然界中出现的光的折射现象,如:海市蜃楼、水中观象等。

三、情感目标

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。

【教学建议】

折射定律和折射率的概念是重点内容。其中对折射率的理解是难点。教学中要注意这样几点。

一、折射定律在初中是作为实验的结论提出来的,定律的第二条没有讲正弦比,只是通过实验讲了入射角和折射角哪个大。在高中教学中应该介绍折射定律的发现过程,使学生认识到科学上的发现是要经过曲折过程的,培养学生不断树立勇于探索规律的思想。

二、折射率是掌握折射定律的关键,要让学生理解中体会这样几个层次;当光由真空射入玻璃时,入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的,但正弦值之比都是个常数;对于不同介质具有不同的常数;媒质的折射率与入射角、折射角无关,而是跟光在其中的传播速度v有关。

三、讲完折射定律应做学生实验,测玻璃的折射率。让学生通过实验理解,折射率反映的是介质的性质。

对于折射定律的应用,要让学生掌握分析方法,教师可以列举一些折射现象,适当引导学生进行分析,逐渐让学生认识到光的折射规律对现象的分析方法。

【实验建议】

一、光的折射现象的演示,可用激光光学演示仪,它的优点是可以不在暗室中进行实验。本实验利用半圆形玻璃砖的平面和光盘上“90°”刻度线重合,圆心和光盘圆心重合,使入射光射向圆心让入射光从空气射入玻璃,折射光从柱面射出,因沿半径方向而不再折射。这样改变入射角,可以从光盘读出几组不同的i、r值,计算正弦比值,加深对折射定律的理解。

二、在讲光的全反射现象时,可以增加一个演示实验,以使学生对全反射现象留下深刻的印象。“用一个直径2cm以上的表面粗糙的金属球悬挂起来,表面用蜡烛燃烧冒出烟将其熏黑。使其浸入水中从侧面观察是一个亮亮的银球。提出水后是一个黑球。”学生看后很惊奇,然后引导学生用全反射产生的条件分析现象产生的原因,效果较好。

三、测玻璃的折射率的学生实验,作图时要求精确,本实验要让学生知道:1.处理数据的方法不仅可以直接测量入射角i和折射角r,还可以通过在入射光线和折射光线上量取等长线段,然后向法线做垂线的方法,如图用刻度尺测量出AD和BP的长度,n=sinisinr=AD/AOBP/PO=ADBP这种方法中,AO=PO且注意AO和PO尽量取得长一些,例如要大于10cm,一般可得到三位有效数字,取不同的入射角得到的n值很接近。

2.本实验也可以不用平行板玻璃砖、实验的关键在于用插针法确定射出玻璃砖的出射光线,然后通过连接入射点和出射点找到折射光线。

【教学设计示例】

光的折射

一、引入新课

当光从一种介质进入另一种介质时,将发生反射和折射现象,光的折射现象,我们在初中也已经初步了解,上一节我们学习了光的反射,现在我们讨论光的折射。

二、教学过程

光传播到两种介质交界面时,同时发生反射和折射现象。

1.折射定律:

(1)折射光线、入射光线、法线在同一平面内。

(2)折射光线,入射光线在法线两侧。

(3)n=sinisinr。n为折射率。它是反映介质的光学性质的物理量。对于同一介质无论i、r如何变化,sini/sinr是不变的。对于不同介质sini/sinr的值是不同的。介质的折射率n与光的其中传播速度有关,n=cv。由此可知光在不同介质中传播光速大小是不同的。必须指出光线入射的介质为真空;另一种介质可是任意的,如此定义的折射率为介质对真空的折射率又叫绝对折射率。如果光线在任意两种介质中传播,折射率大的介质对折射率小的介质叫光密介质,反之叫光疏介质。它们是相对的。

理解和掌握折射率的物理意义是掌握折射定律的关键。

一束光射到两种介质的界面时,其能量分配成反射和折射两部分,随着入射角的不同,其能量分配的比例也不同、在一般情况下,一束光在两个介质的界面上会同时产生反射和折射,其中反射光线遵循反射定律,折射光线遵循的规律与折射率有关。

对于折射率应从下面几个层次来理解:

A.在光的折射现象中,折射角随着入射角的变化而变化,而两角的正弦值之比是个常数。

B.对于不同的介质,此常数的值是不同的。如光从真空进入水中,这个常数为4/3,光从真空进入玻璃中,该常数为3/2。显然,这个常数能反映介质的光学性质,我们把它定义为介质的绝对折射率,简称为折射率,用字母n表示。

C.介质的折射率是由介质本身性质决定的。它取决于光在介质中传播的速度。

D.由于不同频率的色光在同一种介质中传播速度不同,红光的传播速度最大,折射率最小,紫光的传播速度最小,折射率最大。

只有掌握了折射率的内涵,才能理解光的折射现象,不仅能掌握折射定律,而且为研究全反射现象打下良好的基础。

【典型例题】

关于折射率的求解

一束平行光以45°入射角射向玻璃,在玻璃中的折射角为30°。求:(1)玻璃的折射率;(2)光在玻璃中的传播速度。

分析解答:

(1)折射率n=sinisinr=sin45°sin30°=2

(2)根据公式n=cv

则光在玻璃中的传播速度v=cn=3.00×1082m/s≈2.13×108m/s【习题精选】

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i/r不变

B.比值sini/sinr不变

C.比值sini/sinr是一个大于1的常数

D.比值sini/sinr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.水对空气的折射率为4/3,在水面下放一个可以在竖直方向上下移动的点光源,则在水平上可看到一个面积变化的圆形光斑,若看到光斑的面积正在扩大,那么

A.光源正在下沉B.光源正在上浮C.光源不动D.条件不足无法确定

7.水的折射率等于玻璃的折射率,光在水中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比等于。

8.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.

9.一个大游泳池,池底是水平面,池水深1.2m,有一直杆竖直立于地底,浸入水中部分杆是全长的一半,当太阳光以与水平面成37°角射在水面上时,测得杆在池底的影长为2.5m,求水的折射率。

答案:

1.C2.C3.C4.BD5.B6.A7.9:88.0.979.4/3

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