人教版物理选修3-4第十三章 光第一节

1光的反射和折射学习目标1.理解光的反射定律和折射定律，并能用来解释和计算有关问题.2.理解折射率的定义及其与光速的关系，并能用来进行有关计算.3.会测定玻璃的折射率一、反射定律和折射定律导学探究如图1所示，一块半圆形的玻璃砖放在带有角度刻度的圆盘上，使玻璃砖的圆心正好与圆盘刻度的圆心重合，将激光笔对准圆心照射，会观察到激光笔发出的一束光照射到玻璃砖表面后被分成了两束光请在图上标出法线、入射角、反射角和折射角改变入射光线与法线的夹角，观察到三条光线与法线的夹角有什么关系？图1答案如图所示，入射光线和反射光线同法线的夹角相等，折射光线与法线的夹角小于入射光线与法线的夹角知识梳理对光的反射和折射的理解1光的反射(1)反射现象：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，光路是可逆的2光的折射(1)光的折射现象光从第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种介质并改变传播方向的现象，称为光的折射现象图2(2)折射定律(如图2所示)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.(式中n12是比例常数)(3)在光的折射现象中，光路是可逆的即学即用判断下列说法的正误(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、折射率导学探究如表所示是在探究光由真空射入某种透明介质发生折射的规律时得到的实验数据请在表格基础上思考以下问题：入射角i()折射角r()i/rsin i/sin r106.71.501.492013.31.501.493019.61.531.494025.21.591.515030.71.631.506035.11.711.517038.61.811.508040.61.971.51(1)随着入射角的增大，折射角怎样变化？(2)当入射角与折射角发生变化时，有没有保持不变的量？答案(1)折射角增大(2)入射角的正弦值和折射角的正弦值之比保持不变知识梳理1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.2对折射率n的理解(1)由于cv，故任何介质的折射率n都大于(填“大于”“小于”或“等于”)1.(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(3)1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；而2为介质中的光线与法线的夹角，也不一定为折射角(4)介质的折射率与介质的密度没有必然联系即学即用判断下列说法的正误(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(34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3所示图3(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.一、反射定律和折射定律的应用利用反射定律和折射定律解题时，首先以光线为工具画出光路图，然后由折射定律、反射定律及几何规律列方程求解相关问题例1光线以60的入射角从空气射入玻璃中，折射光线与反射光线恰好垂直(真空中的光速c3.0108 m/s) (1)画出折射光路图；(2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播速度；(3)当入射角变为45时，折射角的正弦值等于多大？(4)当入射角增大或减小时，玻璃的折射率是否变化？答案(1)见解析图(2)108 m/s(3)(4)不变解析(1)光路图如图所示，其中AO为入射光线，OB为折射光线. (2)由题意，n又160，1290，得n.设玻璃中光速为v，由n得v108 m/s.(3)当入射角为45时，介质折射率不变sin 2(4)不变，因为折射率是由介质和入射光频率共同决定的物理量，与入射角的大小无关二、折射率的理解和计算解决光的折射问题的常规思路(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、折射角均是与法线的夹角(3)利用折射定律、折射率公式列式求解例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4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4答案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.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.针对训练如图5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5A. B.C. D.答案C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三、测定玻璃的折射率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例3用三棱镜做测定玻璃的折射率的实验，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6所示图6(1)在图上画出所需的光路图(2)为了测出该三棱镜的折射率，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_.答案见解析解析(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)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. 1. (多选)一束光从介质1进入介质2，方向如图7所示，下列对于1、2两种介质的光学属性的判断正确的是()图7A介质1的折射率小B介质1的折射率大C光在介质1中的传播速度大D光在介质2中的传播速度大答案BD2一束光线从空气射入折射率为的介质中，入射角为45，在界面上入射光的一部分被反射，另一部分被折射，则反射光线和折射光线的夹角是()A75 B90 C105 D120答案C解析如图所示，根据折射定律n，则sin 2，230，反射光线与折射光线的夹角1804530105，C选项正确3.如图8所示，ABC为直角三角形三棱镜的横截面，ABC30.有一细光束MN射到AC面上，且MN与AC的夹角也为30，该光束从N点进入棱镜后再经BC面反射，最终从AB面上的O点射出，其出射光线OP与BC面平行图8(1)作出棱镜内部的光路图(不必写出作图过程)；(2)求出此棱镜的折射率答案(1)见解析图(2)解析(1)光路图如图所示：(2)根据折射定律n，n.因为1460，所以32.又由几何关系知2360，所以330.n.一、选择题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()答案C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B错误；画光线时必须带箭头，D不是光路图，D错误3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答案A4光线由空气射向某介质，当入射角为i时，折射光线与反射光线正好垂直，那么这种介质的折射率和光在该介质中的速度分别为()Ansin i，vcsin i Bntan i，vctan iCntan i，v Dncos i，v答案C5光在某种玻璃中的传播速度是108 m/s，要使光由玻璃射入空气时折射光线与反射光线成90夹角，则入射角应是()A30 B60C45 D90答案A解析依题意作出光路图如图所示折射角：2901，玻璃的折射率：n.由折射定律知：nsin 1sin 2，又sin 2sin(901)cos 1，即tan 1，得130.故正确选项为A.6如图2所示，井口大小和深度相同的两口井，一口是枯井，一口是水井(水面在井口之下)，两井底部中央各有一只青蛙，则()图2A水井中的青蛙觉得井口大些，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星B枯井中的青蛙觉得井口大些，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星C水井中的青蛙觉得井口小些，晴天的夜晚，枯井中的青蛙能看到更多的星星D两只青蛙觉得井口一样大，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星答案B解析两井底部中央的青蛙观察井口时，经井边缘的光线由于水的折射，使进入青蛙眼睛的折射光线间的夹角比无水时进入青蛙眼睛的两光线间的夹角小，故有水时，感觉井口变小了，如图所示由光的折射作图可知，水井中两入射光线间的夹角大于，即水井中的青蛙观察范围大些7.现在高速公路上的标志牌都用“回归反光膜”制成夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向返回，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，反光膜内均匀分布着一层直径为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折射后恰好和入射光线平行，如图3所示，那么第一次入射的入射角应是()图3A15 B30C45 D60答案D解析作光路图如图所示，设入射角为，折射角为，则2，n2cos ，cos ，30，所以60，故选项D正确二、非选择题8在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa、bb与玻璃砖位置的关系分别如图4、所示，其中甲同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖他们的其他操作均正确，且均以aa、bb为界面画光路图，则：甲同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大”“偏小”或“不变”)乙同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大”“偏小”或“不变”)图4答案偏小不变解析用题图测定折射率时，玻璃中折射光线偏折变大了，所以折射角增大，所测折射率减小；用图测折射率时，只要操作正确，折射率的测定值与玻璃砖的形状无关9.某同学由于没有量角器，他在完成了光路图后，以O点为圆心，10 cm为半径画圆，分别交线段OA于A点，交线段OO的延长线于C点，过A点作法线NN的垂线AB交NN于B点，过C点作法线NN的垂线CD交NN于D点，如图5所示用刻度尺量得OB8 cm，CD4 cm，由此可得出玻璃砖的折射率n_.图5答案1.5解析由题图可知sin AOB，sin DOC，OAOCR，根据n知，n1.5.10.如图6所示，一束平行光以130的入射角从玻璃射向空气中，折射