新教材高中物理第四章光1.1光的折射學案新人教版選擇性必修第一冊

第1課時光的折射必備知識·自主學習一、光的折射將一根筷子斜插入裝有水的茶缸中，可以看到水中的筷子向上彎了。如何解釋觀察到的現象？提示：水中的筷子發(fā)生了折射現象。1．光的反射和折射：(1)光的反射：光從介質1射到該介質與介質2的分界面時，一局部光會返回到介質1，這個現象叫作光的反射。(2)光的折射：光從介質1射到該介質與介質2的分界面時，一局部光會進入介質2，這個現象叫作光的折射。2．折射定律：(1)入射角與折射角：①入射角：入射光線與法線的夾角稱為入射角。②折射角：折射光線與法線的夾角稱為折射角。(2)折射定律：①內容：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。②公式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n123．光路可逆：在光的反射和折射現象中，光路是可逆的。二、折射率幾種介質的折射率(λ＝589.3nmt＝20℃)根據表中的數據，能否得出折射率大的介質密度一定大？提示：不能。1．定義：光從真空射入某種介質發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫作這種介質的絕對折射率，簡稱折射率。2．與光速的關系：某種介質的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質中的傳播速度v之比，即n＝eq\f(c,v)。3．意義：反映介質的光學性能的物理量。4．特點：任何介質的折射率都大于1。(1)光從一種介質進入另一種介質時，傳播方向一定發(fā)生變化。(×)(2)折射角增大為原來的2倍，入射角也增大為原來的2倍。(×)(3)光在同一種均勻介質中傳播時，也可以發(fā)生折射現象。(×)(4)當入射角為0°時，折射角等于0°。(√)(5)入射角變化，折射角也隨之變化，但入射角一定大于折射角。(×)(6)折射率跟折射角的正弦成反比。(×)(7)介質的折射率越大，光在這種介質中傳播速度越快。(×)關鍵能力·合作學習知識點一光的折射1．折射定律中的關鍵詞：(1)“同面內〞：“折射光線、入射光線和法線在同一平面內〞，這句話大體上說明了三線的空間位置：折射光線在入射光線與法線決定的平面內，即三線共面。(2)“線兩旁〞：“折射光線和入射光線分別位于法線兩側〞，這句話把折射光線的位置又作了進一步確實定，使得折射光線的“自由度〞越來越小。(3)“成正比〞：“入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個常數，即eq\f(sini,sinr)＝n〞，折射角r隨入射角i的變化而變化，但入射角i的正弦與折射角r的正弦之比是定值。當入射光線的位置、方向確定下來時，折射光線的位置、方向就確定了。(4)“正弦值〞：當光由真空射入某種介質時，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，但入射角與折射角的正弦值的比值是一個常數。2．入射角與折射角的關系：(1)光從折射率小的介質斜射入折射率大的介質時，入射角大于折射角。(2)光從折射率大的介質斜射入折射率小的介質時，入射角小于折射角。提醒：光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向會改變；但當光從一種介質垂直射入另一種介質時，傳播方向不改變。如圖，放在杯底的硬幣，當向杯中注水后，看上去好似硬幣與杯底一起升高了，你能說出其中的道理嗎？提示：這是由于硬幣M上一點發(fā)出的兩條光線MA、MB分別在水面發(fā)生了折射，兩條折射光線的反向延長線相交在M′點。所以，眼睛所看到的是硬幣的虛像，它離水面的距離比真實硬幣離水面的距離更近一些?！镜淅?2021·德州高二檢測)在圖中虛線表示兩種介質的界面及法線，實線表示一條光線斜射向界面后發(fā)生反射與折射的光線，以下說法正確的選項是()A.M′N′是法線，MN是界面B．MN是法線，M′N′是界面C．aO是入射光線、Ob是折射光線、cO是反射光線D．aO是折射光線、Ob是反射光線、cO是入射光線【解題探究】(1)入射光線、反射光線和法線的位置有何關系？提示：反射光線與入射光線分別位于法線的兩側。(2)入射光線、折射光線和法線的位置有何關系？提示：折射光線與入射光線分別位于法線的兩側?！窘馕觥窟xB。根據題圖有aO和bO關于MN對稱，那么MN是法線，M′N′是界面，aO是入射光線、Ob是反射光線、Oc是折射光線，應選項A、C、D錯誤，選項B正確。1．光從某種介質中射入空氣中，入射角θ1從零開始增大時，折射角θ2也隨之增大，以下說法正確的選項是()A．比值eq\f(θ1,θ2)不變B．比值eq\f(sinθ1,sinθ2)隨θ1變大而增大C．比值eq\f(sinθ1,sinθ2)是一個大于1的常數D．比值eq\f(sinθ1,sinθ2)是一個小于1的常數【解析】選D。根據折射定律，光由一種介質進入另一種介質中，eq\f(sinθ1,sinθ2)＝常數，可知B錯誤；由光路的可逆知eq\f(sinθ2,sinθ1)＝n，且n＞1，故eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(1,n)＜1，D正確。2．假設地球外表不存在大氣層，那么人們觀察的日出時刻與實際存在大氣層的情況相比()A．將提前B．將延后C．在某些地區(qū)將提前，在另一些地區(qū)將延后D．不變【解析】選B。光在均勻介質中是沿直線傳播的，但地球周圍的大氣是不均勻的，離地面越高，空氣越稀薄，太陽光從大氣層外射到地面的光線為由真空進入空氣中，光要發(fā)生折射，越接近地面空氣越稠密，折射率也越大，因此人們觀察到的日出時刻的太陽，實際上還完全處在地平線的下方，假設地球外表不存在大氣層，那么太陽光將沿直線射到地面，因此只有當太陽到達地平線位置時，人們才能觀察到日出的太陽。這一現象，與人們所站的地理位置沒有什么關系，應選項A、C、D錯。知識點二折射率1．關于正弦值：當光由真空射入某種介質時，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，但正弦值的比值是一個常數。2．折射率的意義：當光從真空射入某種介質發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個常數，叫折射率。對同種光來說，不同的介質具有不同的折射率，這說明折射率反映了該介質的光學特性。3．折射率與光速的關系：(1)光在介質中的傳播速度v跟介質的折射率n有關，即n＝eq\f(c,v)，由于光在真空中的傳播速度c大于光在任何其他介質中的傳播速度v，所以任何介質的折射率n都大于1。(2)某種介質的折射率越大，光在該介質中的傳播速度越小。4．決定因素：介質的折射率是反映介質的光學性質的物理量，它的大小由介質本身及光的性質共同決定，與入射角、折射角無關，不隨入射角、折射角的變化而變化。5．“相對折射率〞與“絕對折射率〞：光從介質1射入介質2時，入射角θ1與折射角θ2的正弦之比叫作介質2對介質1的相對折射率，通常用n12表示。假設介質1是真空，那么介質2相對真空的折射率叫作該介質的絕對折射率，通常用n表示。設介質1的絕對折射率為n1，介質2的絕對折射率為n2，那么n12＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(v1,v2)＝eq\f(\f(v1,c),\f(v2,c))＝eq\f(\f(1,n1),\f(1,n2))＝eq\f(n2,n1)。情境：如表所示是在探究光由真空射入某種透明介質發(fā)生折射時的規(guī)律時得到的實驗數據，請在表格根底上思考以下問題：入射角i(°)折射角r(°)i/rsini/sinr106.71.491.492013.31.501.493019.61.531.494025.21.591.515030.71.631.506035.11.711.517038.61.811.508040.61.971.51討論：(1)隨著入射角的增大，折射角怎樣變化？(2)當入射角與折射角發(fā)生變化時，有沒有保持不變的量？提示：(1)由表格可以看出，折射角隨入射角的增大而增大。(2)由表格可以看出，在誤差允許的范圍內，入射角的正弦與折射角的正弦的比值總是保持不變?！镜淅繛榱藦氖覂扔^察室外情況，某同學設計了一個“貓眼〞裝置，即在門上開一個小孔，在孔內安裝一塊與門厚度相同的圓柱形玻璃體，厚度L＝3.46cm，直徑D＝2.00【解析】如下圖，入射角θ1＝60°折射角設為θ2，由tanθ2＝eq\f(D,L)得θ2＝30°根據折射定律eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n，得n＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)答案：eq\r(3)1.如下圖為一橫截面為直角三角形的三棱鏡，∠B＝90°，∠C＝30°。一束與AB邊成θ＝30°角的光線射向AB面，在棱鏡中經過BC邊一次反射后從AC邊射出，出射光線的折射角為60°。那么這種材料的折射率為()A．eq\r(2)B．eq\r(3)C．eq\f(4,3)D．2【解析】選B。作出光路圖如下圖，根據幾何關系和折射定律有n＝eq\f(sin60°,sini)＝eq\f(sin60°,sin〔60°－i〕)，可得：i＝30°，n＝eq\r(3)，故B正確。2．(2021年重慶適應性測試)將自然光引入室內進行照明是一種新型的綠色能源技術。某科技興趣小組設計了一種接收太陽光的實驗裝置，如圖為過裝置中心軸線的截面，上部的集光球是半徑為R的某種均勻透明材料的半球體，下部為導光管，兩局部的交界面是PQ。假設只有PQ上方高度h＝eq\f(\r(3),2)R范圍內的光束平行于PQ射入后，能直接通過PQ面進入導光管(不考慮集光球內外表的反射)，求該材料的折射率?！窘馕觥坑捎诓豢紤]集光球內外表的反射，所以最上面的一束光線的光路圖如下圖由幾何關系可知sinθ＝eq\f(h,R)＝eq\f(\r(3),2)，解得θ＝60°，可知入射角θ1＝θ＝60°，折射角θ2＝eq\f(θ,2)＝30°根據折射定律可知，材料的折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\r(3)。答案：eq\r(3)【加固訓練】(2021·全國卷Ⅰ)如圖，△ABC為一玻璃三棱鏡的橫截面，∠A＝30°。一束紅光垂直AB邊射入，從AC邊上的D點射出，其折射角為60°，那么玻璃對紅光的折射率為________。假設改用藍光沿同一路徑入射，那么光線在D點射出時的折射角________(選填“小于〞“等于〞或“大于〞)60°?！窘馕觥扛鶕凵渎使娇芍t光的折射率n＝eq\f(sinα,sinβ)＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)；因為藍光的折射率比紅光的折射率大，那么光線在D點射出時的折射角大于60°。答案：eq\r(3)大于【拓展例題】考查內容：光的反射與折射現象的綜合應用【典例】如下圖，半圓玻璃磚的半徑R＝10cm，折射率n＝eq\r(3)，直徑AB與屏幕MN垂直并接觸于A點。激光束a以入射角i＝60°射向玻璃磚圓心O，結果在屏幕MN上出現兩個光斑。(1)畫出光路圖。(2)求兩光斑之間的距離L?！窘馕觥?1)由折射定律和反射定律，畫出光路圖如下圖：(2)設折射角為r，由n＝eq\f(sini,sinr)解得r＝30°，反射角β＝60°兩光斑之間的距離L＝Rtan30°＋Rtan60°＝eq\f(40\r(3),3)cm＝23.1cm答案：(1)見解析(2)23.1情境·模型·素養(yǎng)一束白光通過玻璃三棱鏡折射后在光屏上形成彩色光帶，叫光的色散。探究：假設a、c是光帶的兩端，請問分別是什么顏色的光？【解析】由公式n＝eq\f(c,v)可知，在三棱鏡中，由于a光的折射率大，a傳播速度最小，再根據v＝eq\f(λ,T)＝λf，可得a光的波長最小，所以a光為紫光，c光為紅光。答案：紫光紅光光刻機是生產大規(guī)模集成電路的核心設備，光刻機的曝光波長越短，分辨率越高。“浸沒式光刻〞是一種通過在光刻膠和