4.1 光的折射(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

第四章　光 第1节　光的折射 （见学生用书P80） 　　[学习目标]1.理解光的折射定律，理解折射率的概念，知道其物理意义（物理观念）.2.会利用光的反射定律与折射定律解释相关光现象和计算有关问题（科学思维）. 知识点 1　光的反射定律与折射定律 1.光的反射与折射 （1）光的反射：光从第1种介质射到该介质与第2种介质的　分界面　时，一部分光会返回到第　1　种介质，这种现象叫作光的反射，如图所示. （2）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，一部分光进入第　2　种介质的现象，如图所示. 2.光的反射定律与折射定律 （1）光的反射定律：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. （2）光的折射定律：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（式中n12是比例常数）. 知识点 2　折射率 1.物理意义 是一个与　介质　有关的常数，反映介质的　光学性质　.常数越大，光线以相同入射角从真空斜射入这种介质时偏折的角度越　大　，折射角越　小　. 2.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，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，即n＝　　　　　　　　. 3.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＝　　　　　　　　. 4.特点 由于c＞v，故任何介质的折射率都　大于　（选填“大于”“小于”或“等于”）1. 1.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）光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角.（　√　） （3）光的折射率随入射角增大而增大.（　×　） （4）介质的密度越大，其折射率也一定越大.（　×　） 2.一束光从真空进入某介质，方向如图所示，则该介质的折射率为　　　　　　　　，若光在真空中的传播速度为c，则光在该介质中的传播速度为　　　　c　. 考点 1　光的反射定律与折射定律 【情境导学】有经验的渔民叉鱼时，不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到鱼的下方叉，如图所示.这其中包含了什么原理？ 答案：光的折射 1.光的折射 （1）光的传播方向：①光从一种介质斜射进入另一种介质时，传播方向要发生变化. ②当光垂直界面入射时，光的传播方向不变. （2）入射角与折射角的大小关系：当光从真空斜射入介质时，入射角大于折射角；当光从介质斜射入真空时，入射角小于折射角. 2.对折射定律的理解 （1）同平面：折射光线与入射光线、法线在同一平面内. （2）线两旁：折射光线与入射光线分别位于法线两侧. （3）成正比：当介质一定时，入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即＝n，而并非两角成正比.折射角θ2随入射角θ1的变化而变化，入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦之比是定值. 3.折射定律的应用 解决光的折射问题的基本思路： （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、折射角分别是入射光线、折射光线与法线的夹角. （3）利用折射定律n＝，结合三角函数的关系进行运算. 4.解决光的反射与折射问题的方法 （1）根据题意，准确、规范地画出光路图，确定好界面和法线. （2）利用几何关系确定光路图中的边角关系. （3）利用折射定律n＝、折射率公式列式求解，必要时可利用光路可逆原理辅助解题. 【例题1】如图所示，一小孩站在宽6 m的河边，在他正对面的岸边有一距离河面高度为3 m的树，树的正下方河底有一块石头，小孩向河面看去，可同时看到树顶和石头两者的像，并发现两个像重合，若小孩的眼睛离河面高为1.5 m，河水的折射率为，试估算河水深度. 思维导引：小孩看到的树顶的像属于光的反射成像，看到的石头的像属于光的折射成像. 解析：树顶反射和石头折射成像的光路图如图所示， 由图可得n＝， 由几何关系得1.5tan i＋3tan i＝6， 解得tan i＝， 所以sin i＝， P点至树岸边的距离为3tan i＝4 m， 由几何关系有sin r＝， 联立以上各式并代入题给条件解得h＝5.3 m. 答案：5.3 m 【变式1】光线由空气射入半圆形玻璃砖，再由玻璃砖射入空气中，O点是半圆形玻璃砖的圆心.下列四幅光路图中，可能正确的是（　　） A　B　C　D 答案：B　 解析：当光线从空气沿半径方向由圆弧面射入半圆形玻璃砖时，传播方向不发生改变，由玻璃砖射入空气时，折射角应大于入射角，反射角和入射角相等，反射光线沿半径方向射出，选项A错误，B正确；光线从空气由平直的边斜射入半圆形玻璃砖时，折射角应小于入射角，选项C错误；光线从空气垂直平直的边射入半圆形玻璃砖时，传播方向不发生改变，选项D错误. 考点 2　折射率 【情境导学】当同一束单色光从空气斜射入某种介质时，无论入射角如何改变，入射角的正弦值和折射角的正弦值的比值总保持不变.但是，如图所示，当该束光由空气以同一入射角斜射入不同的介质时，折射角却不同，入射角的正弦值和折射角的正弦值的比值也发生了变化，这说明什么？ 答案：这说明在光的折射现象中，入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值与入射角和折射角的大小无关，与介质的种类有关. 1.对折射率的理解 （1）折射率 n＝，θ1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；而θ2为介质中的光线与法线的夹角，也不一定为折射角. （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，与介质的密度没有必然联系. 2.折射率与光速的关系：n＝ （1）光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1. （2）某种介质的折射率越大，光在该介质中的传播速度越小. 【例题2】如图所示，一个截面为矩形的水池，池底有一垂直于池壁的线形发光体，长度l＝3 m，当池中未装水时，一高h＝1.5 m的人站在距池边s1＝2 m的A点，只能看到发光体的左端点，当将水池加满水时，人需移动到距池边s2＝3 m的B点时，才能只看到发光体的左端点.已知发光体的右端紧靠站人一方的池边，人站的位置与发光体在同一竖直面内，不计人眼到头顶的距离.求： （1）水池中水的折射率； （2）人站在B点时看到的左端点的像到发光体的距离. 思维导引：根据光的直线传播、光的反射、光的折射等传播规律作出符合题意的光路图是处理此类问题的关键. 解析：（1）光路图如图所示， 当水池中装满水，从发光体的左端点发出的光射到站在B处的人的眼睛中时， 对应的入射角的正弦值为sin i＝， 对应的折射角的正弦值为sin r＝， 故水池中水的折射率n＝， 解得n＝. （2）设水池深度为H，当人站在A点时有＝， 解得H＝2.25 m； 设左端点的像到水面的距离为x，则有＝， 解得x＝1.5 m； 则左端点的像到发光体的距离为H－x＝0.75 m. 答案：（1）　（2）0.75 m 关于折射率计算的两点提醒 1.无论光从介质射向空气还是从空气射向介质，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. 2.所有介质的折射率都大于1. 【变式2】将自然光引入室内进行照明是一种新型的绿色能源技术.某科技兴趣小组设计了一种接收太阳光的实验装置，如图为过装置中心轴线的截面，上部的集光球是半径为R的某种均匀透明材料的半球体，下部为导光管，两部分的交界面是PQ.若只有PQ上方高度h＝R范围内的光束平行于PQ射入后，能直接通过PQ面进入导光管（不考虑集光球内表面的反射），求该材料的折射率. 解析：由于不考虑集光球内表面的反射，所以最上面的一束光线的光路图如图所示 由几何关系可知sin θ＝＝，解得θ＝60°， 可知入射角θ1＝θ＝60°， 折射角θ2＝＝30°， 根据折射定律可知， 该材料的折射率n＝＝. 答案： 1.（光的反射与折射）一条光线以40°的入射角从真空射到平板透明材料上，光的一部分被反射，一部分被折射，折射光线与反射光线的夹角可能是（　　） A.小于40° B.在50°～100°之间 C.在100°～140°之间 D.大于140° 答案：C　 解析：由＞1得折射角θ2＜θ1＝40°，由反射定律得θ3＝θ1＝40°，如图所示，故折射光线与反射光线的夹角φ＝180°－θ3－θ2＝140°－θ2，所以100°＜φ＜140°，选项C正确. 2.（测定玻璃的折射率）如果光以同一入射角从真空斜射入不同介质，则折射率越大的介质（　　） A.折射角越大，表示这种介质对光的偏折作用越大 B.折射角越大，表示这种介质对光的偏折作用越小 C.折射角越小，表示这种介质对光的偏折作用越大 D.折射角越小，表示这种介质对光的偏折作用越小 答案：C　 解析：根据折射定律n＝，当光以同一入射角从真空向不同介质入射时，sin θ1一定，n越大，sin θ2就越小，θ2越小，说明光偏离原来传播方向的角度就越大，则介质对光的偏折作用越大，选项C正确. 3.（折射率的计算）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，所以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作的.如图所示，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60°.已知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行.此玻璃的折射率为（　　） A. B.1.5 C. D.2 答案：C　 解析：如图所示为光线在玻璃球内的光路图. A、C为折射点，B为反射点，作OD平行于入射光线，故∠AOD＝∠COD＝60°，所以∠OAB＝30°，玻璃的折射率n＝＝，选项C正确. 4.（光的折射的应用） 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c＝3.0×108 m/s） （1）画出光路图； （2）当入射角变为45°时，折射角的正弦值为多大？ 解析：（1）光路图如图所示，其中AO为入射光线，OB为折射光线，OC为反射光线. （2）n＝＝，当入射角为45°时，n不变，由n＝， 得sin θ2＝＝＝. 答案：（1）见解析图　（2） 学科网（北京）股份有限公司 $$