人教版选修34 光的反射和折射 学案.doc

光的反射和折射学习目标核心提炼1.认识光的反射及折射现象，知道法线、入射角、反射角、折射角的含义。2.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。3.理解折射率的概念，会测定玻璃的折射率。2种现象光的反射、光的折射5个概念法线、入射角、反射角、折射角、折射率2个定律反射定律、折射定律1个实验测定玻璃的折射率一、反射定律和折射定律1.光的反射及反射定律(1)光的反射：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象。(2)反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，反射光线与入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角。(3)在光的反射现象中，光路可逆。2.光的折射及折射定律图1(1)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，一部分光会进入第2种介质的现象。(2)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n12。(3)与光的反射现象一样，在光的折射现象中，光路也是可逆的。思考判断(1)光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一定发生变化。()(2)在光的反射和折射现象中光路是可逆的。()(3)光从空气射入水中时，入射角发生变化，折射角和反射角都发生变化。()(4)光由一种介质进入另一种介质时，增大入射角，折射角一定增大，入射角与折射角成正比。 ()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，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n表示，即n。2.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。3.物理意：它是反映介质的光学性质的物理量。思考判断(1)光由空气射入某介质时折射角大于入射角。()(2)光在水中的传播速度比在真空中的传播速度小。()(3)介质的折射率越大，光在这种介质中传播速度越快。()(4)由折射率的定义式n得出，介质的折射率与入射角1的正弦成正比，与折射角2的正弦成反比。()(5)任何介质的折射率都大于1。()三、实验：测定玻璃的折射率1.实验原理用插针法确定光路，找出与入射光线相应的出射光线，就能在玻璃砖中画出对应的折射光线，从而可以测出一组对应的入射角和折射角，根据折射定律，便可求出玻璃的折射率。2.实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉(3 4枚)、量角器、直尺、铅笔。3.操作步骤(1)把白纸用图钉钉在木板上。(2)沿玻璃砖的一个面画一条线aa作为界面，过aa上一点o作垂直于aa的直线nn作为法线，过o点画一条入射光线ao，使入射角1适当大些。如图2所示。图2(3)在ao线上竖直地插两枚大头针p1、p2，在白纸上放上被测玻璃砖，使玻璃砖的一个面与aa重合。(4)沿玻璃砖的另一侧面画一条直线bb。(5)在玻璃砖的bb一侧白纸上竖直地立一枚大头针p3，调整视线，同时移动大头针p3的位置，当p3恰好能同时挡住玻璃砖aa一侧所插的大头针p1、p2的像时，把大头针p3插好。(6)在玻璃砖bb一侧再竖直地插一枚大头针p4，使p4能挡住p3本身，同时也能挡住p1、p2的像。(7)记下p3、p4的位置，移去玻璃砖，拔去大头针，过p3、p4连一条直线bo交bb于o点，连接oo，oo就是入射光线ao在玻璃砖内的折射光线，折射角为2。(8)用量角器量出入射角1和折射角2的大小。(9)改变入射角1，重复上面的步骤再做三、四次，量出相应的入射角和折射角。(10)算出不同入射角时的值，求出几次实验中的平均值就是玻璃的折射率。反射定律和折射定律的应用要点归纳 1.对折射现象的理解(1)特殊情况：当光垂直于界面入射时，虽然光的传播方向不变，但光速变了，因此也属于折射。(2)光线的偏折方向：光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质，折射光线向法线偏折，反之将偏离法线。(3)光路可逆性：光由介质射入空气或真空时，折射角2大于入射角1。根据光路可逆，可认为光由空气或真空以入射角2入射，对应的折射角为1。2.解决光的反射、折射问题的方法(1)根据题意准确、规范地画出光路图，确定好界面和法线。(2)在光路图中找出入射角、反射角和折射角，利用几何关系确定光路图中的边、角关系，与折射定律n中的各量准确对应。结合数学的三角函数的知识进行运算，必要时可利用光路可逆原理辅助解题。精典示例 例1 光线以入射角1从空气射入折射率n的透明介质表面，如图3所示。图3(1)当入射角145时，求反射光线与折射光线的夹角；(2)当tan 1的值等于多少时，反射光线与折射光线的夹角90。思维导图解析设反射角为1，则18012由反射定律得11，根据折射定律n。(1)当145时，sin 2，所以230，则105。(2)当90时，得2901，则ntan 1，即tan 1。答案(1)105(2)利用光路图处理反射、折射问题的方法先根据题意画出正确的光路图，再利用几何关系确定光路中的边角关系，要注意入射角、折射角的确定；最后利用反射定律、折射定律求解；要注意灵活运用可逆中的逆向思维。针对训练1 一束光线射到一个玻璃球上，如图4所示。该玻璃球入射角的正弦与折射角的正弦之比是，光线的入射角是60。求该束光线射入玻璃球后第一次从玻璃球射出的方向。(用与入射光线的夹角表示)图4解析光线射入玻璃球后第一次从玻璃球射出的光路如图所示。由折射定律得n，由于i160，所以r130。由aob为等腰三角形，则i2r1，由，得r260由几何关系知r11i160，所以130，i22r2，所以230又由图知，3是出射光线相对于入射光线的偏折角，且31260，即第一次从玻璃球射出的光线与入射光线的夹角为60。答案与入射光线的夹角为60折射率的理解要点归纳 1.物理意义折射率是一个反映介质的光学性质的物理量。由n可知：当1一定时，n越大，2越小，此时光线的偏折角12就越大。2.决定因素折射率的大小由介质本身决定，与入射角、折射角的大小无关。“折射率与入射角的正弦成正比”的说法和“折射率与折射角的正弦成反比”的说法都是错误的。3.说明：(1)垂直界面入射的光线，折射光线与入射光线在同一直线上，如图5甲所示。(2)过半圆形玻璃砖圆心的光线在圆弧处不偏折，如图乙所示。图5精典示例 例2 两束平行的细激光束垂直于半圆柱玻璃的平面射到半圆柱玻璃上，如图6所示。已知其中一束光沿直线穿过玻璃，它的入射点是o，另一束光的入射点为a，穿过玻璃后两条光线交于p点。已知玻璃半圆截面的半径为r，oa，opr。求玻璃材料的折射率。图6解析画出光路图如图所示。其中一束光沿直线穿过玻璃，可知o点为圆心。另一束光从a点沿直线进入玻璃，在半圆面上的入射点为b，设入射角为1，折射角为2，由几何关系可得：sin 1，解得130。由题意知opr，由余弦定理知：bpr，折射角为260。由折射定律得玻璃的折射率为n。答案无论光从玻璃射向空气还是从空气射向玻璃，在表示介质的折射率时，一定是空气中的光线和法线的夹角的正弦与介质中的光线和法线的夹角的正弦的比值，也就是说介质的折射率一定大于1。针对训练2 (多选)关于折射率，下列说法正确的是()a.根据n可知，介质的折射率与入射角的正弦成正比b.根据n可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比c.根据n可知，介质的折射率与光在该介质中的传播速度成反比d.同一频率的光由真空进入某种介质时，折射率与波长成反比解析介质的折射率是一个反映介质光学性质的物理量，由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角无关，故选项a、b均错误；由于真空中的光速是个定值，故n与v成反比是正确的，这也说明折射率与光在该介质中的传播速度是有联系的，选项c正确；由于vf，当f一定时，v与成正比，又n与v成反比，故n与也成反比，选项d正确。答案cd测定玻璃的折射率要点归纳 测定玻璃折射率的基本思路(1)确定一条从空气斜射入玻璃(或者从玻璃斜射入空气)的光路。(2)通过作图确定入射角和折射角。(3)由折射率的定义式n计算出玻璃的折射率。精典示例 例3 用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插入两枚大头针p1和p2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使p1的像被p2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针p3、p4，使p3挡住p1、p2的像，p4挡住p1、p2的像和p3，在纸上标出大头针的位置和三棱镜轮廓，如图7所示。图7(1)在图上画出所需的光路图；(2)为了测出该三棱镜玻璃的折射率，需要测量的物理量是_，在图上标出它们；(3)计算折射率的公式是n_。解析(1)光路图如图所示，画出通过p1、p2的入射光线，交ac于o，画出通过p3、p4的出射光线交ab于o，连接oo，则光线oo就是入射光线p1p2在三棱镜中的折射光线。 (2)在所画的图上画出虚线部分，并注明入射角1和折射角2，用量角器量出1和2(或用直尺测出线段ef、oe、gh、og的长度)。(3)n(或因为sin 1，sin 2，则n)。答案见解析(1)测玻璃折射率，不管什么方案都要设法画出入射光线经过介质后的出射光线，然后由入射点o和出射点o画出光线在介质中的折射光线oo。(2)棱镜的形状对实验结果无影响。针对训练3 在“测定玻璃的折射率”实验中，主要步骤如下：(1)如图8，在放置好平行玻璃砖的白纸上竖直插上大头针p1、p2，确定入射光线，然后在另一侧透过玻璃砖观察，插上大头针p3使它挡住p2、p1的像，接着插上第四枚大头针p4使它挡住_；图8(2)撤去玻璃砖，在实验记录图(如图)中补画出完整的光路图；(3)根据正确的光路图进行测量和计算，求得该玻璃砖的折射率n_(保留一位小数)。解析(1)第四枚大头针p4要挡住p3及p2、p1的像。(2)光路如图所示。(3)根据正确的光路图进行测量可得入射角145，折射角230，得该玻璃砖的折射率n1.4。答案(1)p3及p2、p1的像(2)光路图见解析(3)1.41.若某一介质折射率较大，那么()a.光由空气射入该介质的折射角较大b.光由空气射入该介质的折射角较小c.光在该介质中的速度较大d.光在该介质中的速度较小解析由n可知，光由空气射入介质时的折射角是由折射率n和入射角1共同决定的，所以选项a、b均错误；由n可知，介质的折射率越大，光在该介质中的速度越小，故选项c错误，d正确。答案d2.如图9所示，玻璃三棱镜abc的顶角a为30，一束光线垂直于ab面射入棱镜，从ac面射出进入空气，测得出射光线与入射光线的夹角为30，则棱镜的折射率为()图9a. b. c. d.解析如图所示，a30，则入射角mon30，由题意知折射角eog60，故折射率n，选项c正确。答案c3.(多选) “测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa和bb分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图10所示。在玻璃砖的一侧插上两枚大头针p1和p2，用“”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针p3和p4。在插p3和p4时，应使()图10a.p3只挡住p1的像b.p4只挡住p2的像c.p3同时挡住p1、p2的像d.p4挡住p3，同时挡住p1、p2的像解析在插上大头针p3时，应使p3挡住p1、p2的像；在插上大头针p4时，应使p4挡住p3，同时挡住p1、p2的像，所以选项c、d正确。答案cd4.有人在游泳池边“竖直”向下观察池水的深度，池水的视深为h，已知水的折射率为，那么池水的实际深度为多少？解析由池底某点p发出的光线，在水中和空气中的光路图如图所示。由于观察者在池边“竖直”向下观看，所以光线在水面处的入射角1和折射角2都很小，根据数学知识可知sin 1tan 1sin 2tan 2根据折射定律有n将两式代入式得n解得池水实际深度为hnhh。答案h基础过关1.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.折射角增大为原来的2倍，入射角也增大为原来的2倍d.折射率大的介质，光在其中的传播速度小答案d2.一束光线从空气射向折射率为1.5的玻璃内，入射角为45，下面光路图中正确的是()解析光在两介质的界面上通常同时发生反射和折射，所以a错误；由反射定律知反射角为45，根据折射定律n得12，故选项b错误，c正确；画光线时必须带箭头，d不是光路图，选项d错误。答案c3.如图1所示是光线以相同的入射角i从空气射入三种不同介质时的折射情况，关于光在三种介质中的传播速度，下列说法正确的是()图1a.光在甲介质中的速度最大b.光在乙介质中的速度最大c.光在丙介质中的速度最大d.光在三种介质中的速度一样大解析由n知甲介质的折射率最小，由n知光在甲介质中的速度最大，选项a正确。答案a4.如图2所示，两束单色光a、b射向一块半圆柱形玻璃砖圆心o，经折射后沿oc射出玻璃砖。下列说法正确的是()图2a.玻璃砖对a光的折射率小于对b光的折射率b.玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率c.在真空中，a光的传播速度小于b光的传播速度d.在玻璃中，a光的传播速度大于b光的传播速度解析由n知，nanb，选项a错误，b正确；由v知，vavb，选项d错误；光在真空中的传播速度均相同，选项c错误。答案b5.在“测定玻璃砖折射率”的实验中，如图3所示，eoa，aom，noo，插大头针p1、p2、p3、p4的作用是()图3a.为了找出光线ao，测出的折射率为nb.为了找出光线ao，测出的折射率为nc.为了找出光线ob，测出的折射率为nd.为了找出光线ob，测出的折射率为n解析插大头针p1、p2、p3、p4是为了找出出射光线ob，进而确定折射光线oo，选项a、b错误；图中aom是入射角，noo为折射角，故折射率n，选项c错误，d正确。答案d6.(多选)如图4所示，把由同种材料(玻璃)制成的厚度为d的立方体a和半径为d的半球体b分别放在报纸上，从正上方(对b来说是最高点)竖直向下分别观察a、b中心处报纸上的字，下面的说法正确的是()图4a.看到a中的字比b中的字高b.看到b中的字比a中的字高c.看到a、b中的字一样高d.a中的字比没有玻璃时的高，b中的字和没有玻璃时的一样解析如图所示，放在b中的字反射的光线经半球体向外传播时，传播方向不变，故人看到的字的位置是字的真实位置。而放在a中的字经折射，人看到的位置比真实位置要高。答案ad7.某同学通过实验测定半圆形玻璃砖的折射率n。如图5甲所示，o是圆心，mn是法线，ao、bo分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径。该同学测得多组入射角i和折射角r，作出sin i sin r图象如图乙所示。则()图5a.光由a经o到b，n1.5b.光由b经o到a，n1.5c.光由a经o到b，n0.67d.光由b经o到a，n0.67解析由题图乙可知，入射角i小于折射角r，则可知光是从玻璃砖进入空气，即光由b经o到a；由折射率公式，n1.5，选项b正确。答案b能力提升8.半径为r的玻璃半圆柱体，截面如图6所示，圆心为o，两束平行单色光沿截面射向圆柱面，方向与底面垂直，aob60，若玻璃对此单色光的折射率n，则两条光线经柱面和底面折射后的交点与o点的距离为()图6a. b. c. d.r解析光路图如图所示，160根据n，得：230，由几何关系得：光线射到底边上时的入射角330，光线在底边折射时，由折射定律得n可得：460由几何知识得：cocb，所以ocr在ocd中可得：所求距离dodoctan 30，故选项b正确。答案b9.现代高速公路上的标志牌都使用“回归反光膜”制成，夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向反射，标志牌上的字特别醒目。这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的，如图7所示，反光膜内均匀分布着直径为10 m 的细玻璃珠，所用玻璃的折射率为，为使入射的车灯光线经玻璃珠折射反射再折射后恰好和入射光线平行，那么第一次入射的入射角应是()图7a.15 b.30 c.45 d.60解析已知入射光线和出射光线平行，所以光在三个界面上改变了传播方向，光线在玻璃珠的内表面反射时具有对称性，由此可作出光路图如图所示。由几何关系可知i2r根据折射定律有n由可得i60。答案d10.某同学做测玻璃的折射率实验时，由于没有量角器，在完成了光路图以后，以o点为圆心，以10.00 cm长为半径画圆，分别交线段oa于a点，交oo连线延长线于c点，过c点作法线nn的垂线cd交nn于d，如图8所示，用刻度尺量得ob8.00 cm，cd4.00 cm，由此可得出玻璃的折射率为_。图8解析图中p1p2作为入射光线，oo是折射光线，设光线在玻璃砖上表面的入射角为i，折射角为r。则由几何知识得：ab cm6 cm，sin i，sin r，又aooc，则折射率n1.5。答案1.511.(2018衡水高二检测)如图9所示，真空中有一个半径为r0.1 m、质量分布均匀的玻璃球，频率为f5.01014 h 的细激光束在真空中沿直线bc传播，在玻璃球表面的c点经折射进入小球，并在玻璃球表面的d点又经折射进