【同步學(xué)練】高中物理人教版(2019)選擇性必修1：第4章1.第1課時光的折射學(xué)案(教師版)

1．光的折射第1課時光的折射1．知道光的反射、折射現(xiàn)象及折射率的概念，能對簡單現(xiàn)象進(jìn)行解釋。2．理解光的反射定律和折射定律，能夠應(yīng)用幾何知識分析物理問題。3．經(jīng)歷光的折射定律的探究過程，體會科學(xué)探究的重要作用。4．結(jié)合生活中的光學(xué)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的興趣。折射定律1．光的反射(1)反射現(xiàn)象：光從第1種介質(zhì)射到該介質(zhì)與第2種介質(zhì)的分界面時，一部分光會返回到第1種介質(zhì)的現(xiàn)象。如圖所示。(2)反射定律：反射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，反射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；反射角等于入射角。2．光的折射(1)折射現(xiàn)象：光從第1種介質(zhì)射到它與第2種介質(zhì)的分界面時，一部分光進(jìn)入第2種介質(zhì)的現(xiàn)象。(2)折射定律。折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比，即sinθ1sinθ2(3)與光的反射現(xiàn)象一樣，在光的折射現(xiàn)象中，光路也是可逆的。折射現(xiàn)象和反射現(xiàn)象往往同時產(chǎn)生，由于反射的存在，折射光的能量小于入射光的能量，且折射光的能量隨入射角的增大而逐漸減小。如圖甲所示，我們從水面上會看到水中的筷子向上“彎折”，圖乙為對應(yīng)的光路。問題1人的眼睛是如何判斷物體的位置的？圖乙中眼睛是如何看到筷子的？提示：人的眼睛是逆著射入眼睛的光線方向，通過至少兩條光線的交點(diǎn)判斷物體的位置的。圖乙中眼睛是逆著出射光線的反向延長線看到筷子的。問題2上面的情境是什么現(xiàn)象？其原理是什么？提示：光的折射現(xiàn)象，折射定律。1．光的折射(1)光的方向：光從一種介質(zhì)斜射進(jìn)入另一種介質(zhì)時，傳播方向要發(fā)生變化。(2)光的傳播速度：由v＝cn注意：當(dāng)光垂直于界面入射時，光的傳播方向不變，但這種情形也屬于折射，光的傳播速度仍要發(fā)生變化。(3)入射角與折射角的大小關(guān)系：當(dāng)光從折射率小的介質(zhì)斜射入折射率大的介質(zhì)時，入射角大于折射角，當(dāng)光從折射率大的介質(zhì)斜射入折射率小的介質(zhì)時，入射角小于折射角。2．解決光的折射問題的基本思路(1)根據(jù)題意畫出正確的光路圖。(2)利用幾何關(guān)系確定光路圖中的邊、角關(guān)系，要注意入射角、折射角分別是入射光線、折射光線與法線的夾角。(3)利用折射定律n＝sinθ1sinθ2【典例1】(折射現(xiàn)象的理解)(2021·湖北卷)如圖是兩個并排而且深度相同的水池，一個裝水，另一個未裝水，在兩池的中央各豎立著一只長度相同而且比池深略高的標(biāo)桿。當(dāng)陽光斜照時就會在池底形成桿的影子，下列說法正確的是()A．裝水的池中標(biāo)桿影子較長B．未裝水的池中標(biāo)桿影子較長C．兩池中標(biāo)桿影子長度相同D．裝水的池中標(biāo)桿沒有影子B[未裝水時，光沿直線傳播從桿頂照射到池底的P點(diǎn)，而裝水時，光沿直線傳播從桿頂照射到水面時發(fā)生折射，由于折射角較小，故照射到池底的Q點(diǎn)，如圖所示，可知未裝水的池中標(biāo)桿影子較長，故B正確。]【典例2】(折射定律的應(yīng)用)若光線以60°的入射角從空氣射入玻璃中，折射光線與反射光線恰好垂直。(1)畫出折射光路圖；(2)當(dāng)入射角變?yōu)?5°時，折射角的正弦值為多大？[解析](1)光路圖如圖所示，其中AO為入射光線，OB為折射光線。(2)n＝sin60°sin30°＝3得sinθ2′＝sinθ[答案](1)見解析圖(2)6解決光的折射問題的基本思路(1)根據(jù)題意正確畫出光路圖。(2)利用幾何關(guān)系確定光路中的邊、角關(guān)系，注意入射角、反射角、折射角的確定。(3)利用反射定律、折射定律求解有關(guān)問題。(4)注意光路可逆性的利用。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．如圖所示，一條光線由空氣射到半圓柱體玻璃磚表面的圓心處，玻璃磚的半圓表面上(反射面)鍍有銀，則圖示幾個光路圖中，能正確、完整地表示光線行進(jìn)過程的是()ABCDD[光線在圓心O處發(fā)生折射和反射，折射光線與半圓表面垂直，到達(dá)半圓表面后沿原路返回，返回至空氣與玻璃的交界處時再次發(fā)生反射和折射，折射光線遵循光路可逆原理，故D正確。]折射率1．物理意義反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量。2．定義光從真空射入某種介質(zhì)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(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率，即n＝sinθ3．折射率與光速的關(guān)系某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比，即n＝cv4．特點(diǎn)任何介質(zhì)的折射率n都大于1。一束白光通過三棱鏡后會分解為多種顏色的單色光，圖中自上而下分別為紅橙黃綠藍(lán)靛紫，這就是大家非常熟悉的光的色散現(xiàn)象。問題：結(jié)合光的色散現(xiàn)象，分析除了介質(zhì)的自身性質(zhì)之外，折射率還和哪種因素有關(guān)？有什么關(guān)系？提示：折射率還和光的波長有關(guān)。波長越長，折射率越小。1．關(guān)于正弦值當(dāng)光由真空射入某種介質(zhì)中，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，但正弦值之比是一個常數(shù)。2．關(guān)于常數(shù)n入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一個常數(shù)，但不同介質(zhì)具有不同的常數(shù)，說明該常數(shù)反映著該介質(zhì)的光學(xué)特性。3．光傳播速度介質(zhì)的折射率n跟光在其中的傳播速度v有關(guān)，即n＝cv，由于光在真空中的傳播速度c大于光在任何介質(zhì)中的傳播速度v，所以任何介質(zhì)的折射率n4．決定因素(1)介質(zhì)的折射率是反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量，它的大小只能由介質(zhì)本身及光的性質(zhì)共同決定，不隨入射角、折射角的變化而變化。(2)同種介質(zhì)中，光的波長越長，則折射率越小。(真空除外)5．“相對折射率”與“絕對折射率”光從介質(zhì)1射入介質(zhì)2時，入射角θ1與折射角θ2的正弦之比叫作介質(zhì)2對介質(zhì)1的相對折射率，通常用n12表示。若介質(zhì)1是真空，則介質(zhì)2相對真空的折射率叫作該介質(zhì)的絕對折射率，通常用n表示。設(shè)介質(zhì)1的絕對折射率為n1，介質(zhì)2的絕對折射率為n2，則n12＝sinθ【典例3】(2022·湖北黃岡高二月考)如圖所示，玻璃磚的截面由半徑為R的四分之一圓和直角三角形OBC組成，已知點(diǎn)O為四分之一圓的圓心，∠C＝30°，D是圓弧AB上的一點(diǎn)，D點(diǎn)到AC的距離為32R，一束單色光平行于AC從D點(diǎn)射入玻璃磚中，折射光線平行于BCA．3B．2C．3D．2C[畫出光路圖如圖所示由題意可知∠C＝30°，D點(diǎn)到AC的距離為32R，根據(jù)幾何關(guān)系可得，入射角為θ＝60°，折射角為α＝30°，根據(jù)折射率公式可得n＝sin折射率的兩種計算方法(1)應(yīng)用折射定律計算：n＝sinθ(2)應(yīng)用折射率與光速的關(guān)系計算：n＝cv[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)(2022·河南原陽高二月考)兩束不同頻率的單色光a、b從空氣平行射入水中，發(fā)生了如圖所示的折射現(xiàn)象(α>β)。下列結(jié)論中正確的是()A．水對光束a的折射率比水對光束b的折射率小B．水對光束a的折射率比水對光束b的折射率大C．在水中的傳播速度，光束a比光束b大D．在水中的傳播速度，光束a比光束b小AC[由題意知a、b的入射角相同，由圖可知，折射角α>β，根據(jù)折射率公式n＝sinθ1sinθ2可得水對b光束的折射率大，選項(xiàng)A正確，B錯誤；根據(jù)v1．一束光線從空氣射向玻璃，入射角為α。下列四幅光路圖正確的是()ABCDA[一束光線從空氣射向玻璃，發(fā)生折射，入射角為α，折射角小于入射角α；光線在分界面上還會發(fā)生反射，故選項(xiàng)A正確。]2．關(guān)于光的折射現(xiàn)象，下列說法中正確的是()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．折射率大的介質(zhì)，光在其中的傳播速度小D．折射角增大為原來的2倍，入射角也增大為原來的2倍C[光從折射率大的介質(zhì)射向折射率小的介質(zhì)時，折射角大于入射角，選項(xiàng)A錯誤；折射率的大小是由介質(zhì)本身決定的，與折射角的正弦值無關(guān)，選項(xiàng)B錯誤；根據(jù)v＝cn可知，折射率大的介質(zhì)，光在其中的傳播速度小，選項(xiàng)C正確；根據(jù)n＝sin3．玻璃中有一個球形氣泡。一束平行光射入氣泡，下列光路圖正確的是()ABCDB[光從玻璃進(jìn)入空氣，入射角小于折射角，后來又從玻璃進(jìn)入空氣，則入射角大于折射角，其光路圖如圖所示，所以B正確，A、C、D錯誤。]4．為了從軍事工事內(nèi)部觀察外面的目標(biāo)，工事壁上開有一長方形孔，設(shè)工事壁厚d＝203cm，孔的寬度L＝20cm，孔內(nèi)嵌入折射率n＝3的玻璃磚，如圖所示。試問：(1)嵌入玻璃磚后，工事內(nèi)部人員觀察到外界的視野的最大張角為多少？(2)要想使外界180°范圍內(nèi)的景物全被觀察到，則應(yīng)嵌入折射率最小為多大的玻璃磚？[解析]工事內(nèi)部的人從玻璃磚左側(cè)能最大范圍觀察右邊的目標(biāo)，光路如圖所示。tanβ＝Ld＝1(1)由折射定律有sinα得α＝60°，則視野的張角最大為2α＝120°。(2)要使視野的張角為180°，則光線從空氣射入玻璃磚時最大入射角為90°，由折射定律有sin90°si