魯科版選修34 4.1光的折射 教案.doc

1、光的折射 l 【教學(xué)目標(biāo)】：1.知識與技能（1）了解介質(zhì)的折射率與光速的關(guān)系；（2）掌握光的折射定律（3）掌握介質(zhì)的折射率的概念（4）會用折射定律解釋簡單的現(xiàn)象2.過程與方法：通過觀察演示實驗，使學(xué)生了解到光在兩種介質(zhì)界面上發(fā)生的現(xiàn)象（反射和折射），觀察反射光線、折射光線隨入射角的變化而變化，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、概括能力，通過相關(guān)物理量變化規(guī)律的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析、推理能力3.情感態(tài)度價值觀：滲透物理研究和學(xué)習(xí)的科學(xué)態(tài)度的教育實驗的客觀性與人的觀察的主觀性的矛盾應(yīng)如何解決，人的直接觀察與用儀器探測是有差別的，我們應(yīng)用科學(xué)的態(tài)度看待用儀器探測的結(jié)果.l 【教學(xué)重點】：l 光的折射定律、折射率折射率是反映介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的物理量，由介質(zhì)來決定l 【教學(xué)難點】：l 光的折射定律和折射率的應(yīng)用通過問題的分析解決加深對折射率概念的理 解，學(xué)會解決問題的方法l 【教學(xué)器材】：l 光的折射激光演示器 l 【教法學(xué)法】：l 問題導(dǎo)學(xué)/實驗演示討論探究/講授l 【教學(xué)過程設(shè)計】：第1課時折射定律與折射率1、 復(fù)習(xí)引入新課我們在第二章里學(xué)過由惠更斯原理可以推導(dǎo)出波的反射和折射定律?；仡櫡瓷涠珊驼凵涠伞＿@里波的反射定律與初中的光的反射定律是一樣的，而且第三章里我們又學(xué)過光也是電磁波譜中的一部分。那么光的折射是否也遵循波的折射定律呢？2、 由光的折射實驗演示得出折射定律：將光的激光演示儀接通電源，將半圓柱透明玻璃放入對應(yīng)的位置打開開關(guān)，將激光管點燃，讓一束激光照在半圓柱透明玻璃的平面上，讓光線垂直于平面過圓心入射（沿法線入射），觀察折射情況：提示學(xué)生要從兩個方面即（a角度，b明暗程度與入射光線進(jìn)行對比）然后改變?nèi)肷浣沁M(jìn)行記錄，再次觀察能量改變的情況最后進(jìn)行概括、歸納、小結(jié)（1） 明暗程度：明暗程度表明了反射光和折射光的能量關(guān)系：右下表是科學(xué)家測定的當(dāng)光從空氣射到某種玻璃的界面上時在兩種介質(zhì)的分界面上入射光線、反射光線、折射光線的能量分配 從中我們可以看出：隨入射角的增大，反射光線的能量比例逐漸增加，而折射光線的能量比例逐漸減?。?） 角度：關(guān)于光的折射，究竟有什么樣的定量規(guī)律？在一千多年前，人們就 在思考、探索這個問題。根據(jù)歷史記載，在探索光的折射規(guī)律的實踐中，做出過重要貢獻(xiàn)的有托勒密、開普勒、斯涅爾、笛卡兒、費馬等人，他們研究的內(nèi)容包括傳播方向規(guī)律，傳播速度規(guī)律、能量分配規(guī)律等等。本節(jié)課，我們主要介紹他們在研究傳播方向與速度方面的成就公元140年，古希臘天文學(xué)家托勒密通過實驗得到：折射光線跟入射光線和法線在同一平面內(nèi)；b折射光線和入射光線分居在法線的兩側(cè)；c折射角正比于入射角。（托勒密的實驗數(shù)據(jù)記錄非常詳細(xì)、準(zhǔn)確，只可惜欠缺數(shù)學(xué)眼光，致使結(jié)論的總結(jié)出現(xiàn)錯誤。而這個看來僅僅一步之遙的距離卻又使人類經(jīng)歷了一千五百多年的探索?。?622年，荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳經(jīng)過進(jìn)一步的實驗，并在借鑒前人觀點的基礎(chǔ)上總結(jié)出現(xiàn)在的折射定律a) 【板書】：折射定律：折射光線跟入射光線和法線在同一平面內(nèi)，折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。如果用n表示這個比例常數(shù)，就有= n 實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，我們很希望通過自己的實驗來驗證斯涅耳的折射定律，但由于條件所限，今天只能“略過”。下表展示了人們經(jīng)過精確測量后，得出的光線從空氣射入玻璃時相關(guān)數(shù)據(jù)，我們可以看出：在小角度情形下托勒密結(jié)論的“正確性”；在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，斯涅耳定律的廣泛正確性。入射角1()折射角2()1/2sin1/sin2106.71.501.492013.31.501.493019.61.531.494025.21.591.515030.71.631.506035.11.711.517038.61.811.508040.61.971.51（這一部分材料可以選用）斯涅耳的折射定律并非完全沒有受到挑戰(zhàn)1637年，法國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家笛卡兒出版屈光學(xué)一書，認(rèn)為光的傳播可以用網(wǎng)球在兩種介質(zhì)分界面上運動來模擬反射、折射和全反射，并假定平行于界面的速度分量不變，導(dǎo)出“sini/sinr = 常數(shù)；光線在光密介質(zhì)中傳播速度較大”的折射定律。（笛卡兒的折射規(guī)律是一種純理論的推測，盡管有正弦之比等于常數(shù)的結(jié)論，但他認(rèn)為光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時折射角較大，傳播速度也會更大，這兩個定性結(jié)論都是錯誤的。）1661年，法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家費馬起來批駁笛卡兒的理論，他用的也是純理論的方法光程最短法。這是一個在現(xiàn)代光學(xué)中普遍適用的理論，盡管在當(dāng)時還不是能夠很好的被人們接受，但費馬證明的結(jié)果，認(rèn)為斯涅耳的結(jié)論是正確。啟發(fā)：請同學(xué)們比較一下折射定律和反射定律，它們有什么相同點和不同點？ “兩側(cè)”、“共面”是相同的，角度關(guān)系是不同的。其實，這兩個定律還有一個共同點，人們研究發(fā)現(xiàn)，（參看圖2）當(dāng)光線沿bo方向入射，那么它的折射方向?qū)⒀豲a方向，也就是說b) 【板書】：折射光路是可逆的。這一點，在折射定律的應(yīng)用中常常起到非常重要的作用。過渡：斯涅耳的折射定律中出現(xiàn)了一個比例常數(shù)n ，這個常數(shù)是相對不變的還是“萬古不變”的呢？3、 【板書】：折射率進(jìn)一步的實驗研究表明，折射定律中的比例常數(shù)n并不是一個“萬古不變”的的常數(shù)，只要改變兩種介質(zhì)中的任何一種，n將隨之改變。下面是幾個折射情形的n值展示：空氣到玻璃1.50；空氣到水1.33；水到玻璃1.13；為了探討這個常數(shù)的規(guī)律，人們先將一種介質(zhì)定下來，那么，n就只和另一種介質(zhì)相關(guān)了。譬如，我們將入射空間的介質(zhì)定下來，而且規(guī)定為一種最簡單的介質(zhì)真空，那么a) 【板書】：折射率：光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角1的正弦與折射角2的正弦的比值n ，叫做這種介質(zhì)的折射率。從折射定律不難得出，真空自身作為一種介質(zhì)，它的折射率為多少？為1 。每種透明介質(zhì)的折射率都有一個固定值，下表展示了幾種常見介質(zhì)的折射率幾種介質(zhì)的折射率金剛石2.42巖鹽1.55二硫化碳1.63酒精1.36玻璃1.51.9水1.33水晶1.55空氣1.00028從表中可以看出，空氣的折射率非常接近于1 ，所以，我們常常將空氣介質(zhì)近似看成真空。由折射定律可以得出，對于相同入射角1 ，n越大時，折射角2會怎樣？越小。對應(yīng)光的偏折量大，還是??？大。n大，光線偏折越厲害。所以b) 【板書】：物理意義：折射率n是表明材料對光線偏折能力大小的物理量。材料折射率的存在，不僅可以改變光的傳播方向，還能改變光的傳播速度。光在介質(zhì)中的傳播速度v和真空中的光速c 、材料n之間有以下關(guān)系c) 【板書】：光的傳播速度和折射率的關(guān)系：v =。鑒于真空之外的任何介質(zhì)的折射率都大于1 ，所以，光在真空之外任何介質(zhì)的傳播速度都小于c 。而且，從上式不難發(fā)現(xiàn)，光在介質(zhì)中的速度規(guī)律與光的入射方向并沒有什么關(guān)系，這和方向規(guī)律是略有不同的（折射定律中規(guī)定“斜射”，這里就沒有必要了）。大家回想一下，以前有沒有接觸過這一規(guī)律呢？波的折射定律表達(dá)為，所以光的折射定律就是波的折射定律的一個應(yīng)用。折射率由于反映了界面兩邊的兩種不同介質(zhì)中的光速比，所以對于不同的介質(zhì)，折射率不一樣。我們把真空中光速與介質(zhì)中光速的比叫做介質(zhì)的絕對折射率，而把兩種不同介質(zhì)中的光速之比叫做相對折射率。參書p73/拓展一步。d) 【板書】：折射率的定義式為量度式 折射率無單位，任何介質(zhì)的絕對折射率不能小于1，記住水的折射率約為4/3；了解了光的折射的方向規(guī)律和速度規(guī)律，下面做一個應(yīng)用例1 光在某介質(zhì)中的傳播速度是2.122108m/s，當(dāng)光線以30入射角，由該介質(zhì)射入空氣時，折射角為多少？解：由介質(zhì)的折射率與光速的關(guān)系得；又根據(jù)介質(zhì)折射率的定義式得r為在空氣中光線、法線間的夾角即為所求i為在介質(zhì)中光線與法線間的夾角30由（1）、（2）兩式解得：r=45 光線從空氣射入甲介質(zhì)中時，入射角i=45，折射角r=30，光線從空氣中射入乙介質(zhì)中時，入射角i=60，折射角r=30 求光在甲、乙兩種介質(zhì)中的傳播速度比解：設(shè)光在甲介質(zhì)中傳播的速度為v甲，光在乙介質(zhì)中傳播的速度為v乙 根據(jù)折射率的定義式得：根據(jù)折射率與光速的關(guān)系得：練習(xí)：（1）已知水的折射率為4/3，某種玻璃的折射率是3/2，則光在水中和在這種玻璃中傳播的速度之比是多少？98（2）光線由空氣射入某種介質(zhì)，折射光線與反射光線恰好垂直，已知入射角是53，則這種介質(zhì)可能是什么？水（3）一束寬度為10cm的平行光束，以60的入射角從空氣射入折射率為的介質(zhì)中，截面光滑平整，求反射光束和折射光束的寬度？ 10cm，17.3cm（三）課堂小結(jié)1光的折射定律是幾何光學(xué)的三大基本規(guī)律之一（另外兩個規(guī)律是：光的直線傳播規(guī)律，光的反射定律）是研究幾何光學(xué)的重要法寶高中階段只研究在兩種介質(zhì)中其中一種是空氣的兩界面間的折射情況及所遵循的規(guī)律在應(yīng)用時，一定要注意作圖突出幾何的特點2折射率是幾何光學(xué)中非常重要的基本概念之一它反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)每一種介質(zhì)在一定條件下有一個確切的折射率，不同種類的介質(zhì)在相同的條件下，一般具有不同的折射率例如：玻璃的折射率是1.50，水的折射率是1.333通常說的介質(zhì)的折射率是指介質(zhì)的絕對折射率，即光從真空射入某種介質(zhì)時的折射率設(shè)光由介質(zhì)1射入介質(zhì)2，這時的折射率確切地說應(yīng)該叫做介質(zhì)2對介質(zhì)1的相對折射率，通常用n21來表示 第2課時實驗測量玻璃的折射率問題導(dǎo)入：對寶石鑒定專家來說，硬度和折射率是鑒定的兩項非常重要的參數(shù)。如果給你們一塊美麗的透明晶體，你能鑒定出它是玻璃？水晶？皓石還是鉆石？我們可以通過測量它的絕對折射率來確定這一點。那么如何測出物體的折射率呢？我們可以利用折射定律（斯涅耳定律）來間接測量。假定我們要測量的是這一塊梯形的玻璃磚一樣的物質(zhì)。（展示）請大家考慮一下測量方案，需要什么器材？激光（用于顯示光路），量角器（用來測量入射角和折射角），直尺（用于作圖）遺憾的是，激光器比較貴，我們未給大家準(zhǔn)備，而是準(zhǔn)備了一些大頭針來代替它顯示光路。另有一張白紙是讓大家做光路圖用的，圖釘是固定白紙用的。請大家思考一下，大頭針怎么祈禱顯示光路的作用呢 ？提示，兩點可以確定一條直線。學(xué)生討論后教師總結(jié)方法并強(qiáng)調(diào)兩個大頭針之間的距離不宜太近，入射角也不宜太大或太小否則將影響實驗誤差。強(qiáng)調(diào)邊界的準(zhǔn)確確定很重要，并提示學(xué)生思考如果邊界未畫準(zhǔn)，而是將玻璃磚畫太寬了，會是實驗結(jié)果如何？學(xué)生實驗拓展1：如果實驗室未配備量角器，而是給了刻度尺和圓規(guī)，那么可以怎么測量。（將角度轉(zhuǎn)換成長度比）；拓展2：如果玻璃磚不是梯形，而是半圓型、圓形或三角形，那么可以怎么測量。（只要能作出光路就可以）拓展3：在本實驗中的光路中你還發(fā)現(xiàn)了什么？（出射光與入射光平行）該如何解釋這一現(xiàn)象？（光路可逆）第3課時折射定律的應(yīng)用，一些折射現(xiàn)象1、 【板書】：光的色散常見介質(zhì)的折射率（鈉黃光= 5893）金剛石2.42巖鹽1.55復(fù)習(xí)提問1：在初中，我們已經(jīng)知道：什么是單色光、什么是復(fù)色光？學(xué)生：答問復(fù)習(xí)提問2：單色光和復(fù)色光能不能通過眼睛的視覺來判斷？學(xué)生：回憶“光的色散”的知識（教師補(bǔ)充顏色混合的基本常識）那么，光的色散是怎樣形成的呢？我們這里先看一個高一級學(xué)校教材關(guān)于介質(zhì)折射率展示的表格這個表格給了我們一個兩方面的信息：光的折射率和介質(zhì)相關(guān)；光的折射率和光的顏色相關(guān)。各種色光在冕牌玻璃中的折射率色光紫、靛藍(lán)綠黃橙紅折射率1.5321.5281.5191.5171.5141.513光的折射率和光的顏色究竟有什么樣的關(guān)系？我們看下表從該表我們可以看出：在同一介質(zhì)，光的顏色從紫、藍(lán)到橙、紅變化時，折射率逐漸減??；在同一介質(zhì)中，光的折射率隨光色的變化的幅度并不是很大。對于其它介質(zhì)，這種規(guī)律基本相同（只是平均數(shù)字有所不同而已）。下面我們看這兩點在折射光路中具體會形成什么效應(yīng)。當(dāng)一束很細(xì)的“白光”以60的入射角從空氣射到冕牌玻璃表面，它的折射光路怎樣？計算紫光、紅光的折射角（分別為34.4、34.9）；畫光路圖（如圖1）啟發(fā)：在這個光路中色散是否已經(jīng)發(fā)生？。色散：復(fù)色光在介質(zhì)中由于折射率不同而分解成單色光的現(xiàn)象。在上面的光路中，要觀察色散現(xiàn)象，是否容易？否。為了讓色散現(xiàn)象明顯，我們可以采取哪些努力呢？2、 【板書】：三棱鏡的折射與色散棱鏡：截面為三角形或多邊形的柱形透明體。示例：（邁克爾遜測光速的）八棱鏡、（分組實驗用到的）梯形玻璃磚、（實物展示）三棱鏡。典型的三棱鏡有：等腰三棱鏡、等邊三棱鏡、45直角棱鏡。過渡：光線通過三棱鏡的光路如何呢？a) 光線向底邊偏折光路展示圖2；演示：激光光源演示圖2的光路。偏折角=+*根據(jù)折射率的物理意義，n較大，和均較大，故較大。啟發(fā)：同學(xué)們，我們剛才在圖2中畫的是單色光的情形，如果是復(fù)色光，光路又會怎樣？在草稿上嘗試畫圖（如圖3）（師生共同）小結(jié)：由于n的不同導(dǎo)致每折射一次，不同色光散開一次，兩次的折射將使不同色光分得更開所以，b