4.1 光的折射（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019）

第1节　光的折射 核心 素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 1.知道折射率的概念。 2．知道折射率和光速的关系。 1.理解光的折射定律，能用光的折射定律解决问题。 2．解释光的折射和光的色散现象。 掌握测定介质折射率的方法，通过探究，知道光的可逆性。 能体会生活中光的折射现象，并能用所学知识进行解释。 [对应学生用书P69] 知识点一 探究折射角与入射角的关系　光的折射定律 1.光的折射❶：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会改变的现象。 2．斯涅耳定律(光的折射定律) (1)内容：入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数❷。 (2)表达式：＝n。 3．折射率：物理学中，把光从真空斜射入某种介质发生折射时，入射角i的正弦与折射角r的正弦的比值n，称为这种介质的折射率，也称绝对折射率。 4．光路可逆性：与反射现象一样，在折射现象中，光路也是可逆的。 1．入射角变化时，折射角也随之变化，但入射角一定大于折射角。(　　×　　) 2．折射率大的介质，密度不一定大。(　　√　　) 3．在光的反射现象中，光路是可逆的；在光的折射现象中，光路是不可逆的。(　　×　　) 知识点二 折射率 1.物理意义：反映介质光学性质的一个物理量，折射率越大，介质使光偏离原来传播方向的程度就越大。 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＝❸。 3．色散现象 (1)原因：不同颜色的光在同一介质中的传播速度不相同，折射率也不相同。在同一种介质中，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光，红光的传播速度最大，折射率最小；紫光的传播速度最小，折射率最大。 (2)现象：一束白光射入三棱镜时，由于白光中不同色光的折射率不同，偏折程度就不同，紫光偏折程度最大，红光偏折程度最小，经三棱镜折射后，会出现色散现象。 1．光在某种介质中的传播速度越大，则说明该介质的折射率越大。(　　×　　) 2．光在真空中的传播速度最大。(　　√　　) 3．光在发生折射时，折射后的速度与折射前的速度大小相等。(　　×　　) 批注❶：入射角与折射角的关系 (1)光的折射中的特征量 入射角：入射光线与法线间的夹角，一般用i表示(如图所示)。 折射角：折射光线与法线间的夹角，一般用r表示(如图所示)。 (2)实验结论：当入射角变化时，折射角也随之变化。 批注❷：入射角i与折射角r之比不是一个常数。 批注❸：由于c＞v，故任何介质的折射率n都大于1。真空的折射率为1，空气的折射率近似为1。 [对应学生用书P70] 探究点一　光的折射定律和折射率　(科学思维之提升) ►情境探究 (1)如图所示，筷子斜插入水中，请问人在外面看筷子的视深和筷子的实深相同吗？ 提示：不相同。 (2)甲、乙两个图中，虚线代表什么？ 提示：虚线表示光不发生折射时的传播路线。 (3)观察筷子和鱼时发生的折射现象，其原理是什么？ 提示：光从水中射入空气时，由于介质不同，光的传播路径发生偏折。 ►探究归纳 1．入射角与折射角的大小关系 (1)光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定。 (2)当光从折射率较小的介质斜射入折射率较大的介质时，入射角大于折射角；当光从折射率较大的介质斜射入折射率较小的介质时，入射角小于折射角。 2．对折射率的理解 (1)关于正弦值：当光由真空作斜射入某种介质时，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值的比值是一个常数。 (2)关于常数n：入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数n反映了各种介质的光学特性。 (3)折射率与光速的关系：光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关，即n＝。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。 (4)决定因素：介质的折射率是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身及光的性质共同决定，不随入射角、折射角的变化而变化。 ►对点例练 一个储油桶的底面直径与高均为d，当桶内没有油时，从点A恰能看到桶底边缘的点B，如图甲所示；当桶内油的深度等于桶高的一半时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的点C，如图乙所示，C、B两点相距。 (1)请在图乙中画出光路的示意图。 (2)求油的折射率。 (3)求光在油中的传播速度。 答案：(1)见解析　(2)1.58　(3)1.90×108 m/s 解析：(1)“恰好看到”表明人眼看到的是C点发出的光线经界面折射后进入人眼的边界光线，因此光路示意图如图所示。 (2)由题意和(1)中的光路图可得 sin r＝，sin i＝， 由折射定律得油的折射率n＝＝≈1.58。 (3)由公式n＝可知，光在油中的传播速度 v＝＝ m/s＝1.90×108 m/s。 [练1] (多选)(2021·青海西宁高二期末)关于介质的折射率，下列说法正确的是(　　) A．由折射率的公式n＝可知，介质的折射率与入射角i的正弦成正比 B．由折射率公式n＝可知，介质的折射率与光在介质中的传播速度v成反比 C．折射率反映的是介质本身的光学性质，由介质本身及光的性质共同决定 D．玻璃的折射率大于1，水的折射率小于1 BC　解析：折射率的公式n＝是运用比值法定义，所以介质的折射率与入射角i、折射角r的正弦值无关， A错误；由公式n＝知，c不变，则介质的折射率与光在介质中的传播速度成反比，B正确；折射率反映的是介质本身的光学性质，它的大小由介质本身及光的性质共同决定，C正确；因折射率是光线从真空折射入某种介质时入射角和折射角的正弦值之比，所以任何介质的折射率都大于1，D错误。 折射问题的四点注意 (1)根据题意画出正确的光路图。 (2)利用几何关系确定光路中的边、角关系，要注意入射角、折射角的确定。 (3)利用反射定律、折射定律求解。 (4)注意光路可逆性、对称性的应用。 探究点二　光的色散　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示是一束白光照射到三棱镜上后出现的色散现象，请问玻璃对哪种色光的折射率最大，对哪种色光的折射率最小？ 提示：由图可知，红光经过三棱镜后偏折程度最小，紫光经过三棱镜后偏折程度最大，故玻璃对紫光的折射率最大，对红光的折射率最小。 ►探究归纳 1．同一介质对不同色光的折射率不同。其中对红光的折射率最小，对紫光的折射率最大。 2．由于各种色光在同一介质中的传播速度不同，结合n＝可知，红光速度最大，紫光速度最小。 3．同一频率的色光在不同介质中传播时，频率不变，光速改变，波长亦随之改变。 ►对点例练 如图所示，有一截面是直角三角形的棱镜ABC，∠A＝30°，它对红光的折射率为n1，对紫光的折射率为n2，在距AC边d处有一个与AC平行的光屏，现有红光和紫光组成的很细的光束垂直AB边射入棱镜。问： (1)红光和紫光在棱镜中的传播速度大小之比为多少？ (2)若两种色光都能从AC面射出，求两光点在光屏MN上的距离。 答案：(1)　(2)d 解析：(1)因v红＝，v紫＝， 所以＝。 (2)如图所示，画出两种色光通过棱镜的光路图，由图得 ＝n1，＝n2， 因此光屏MN上两光点的距离为 x＝d(tan r2－tan r1)＝d。 [练2] 如图所示，一束白光通过玻璃棱镜时发生色散现象，下列说法正确的是(　　) A．红光的偏折最大，紫光的偏折最小 B．红光的偏折最小，紫光的偏折最大 C．玻璃对红光的折射率比对紫光的大 D．玻璃中紫光的传播速度比红光的大 B　解析：白光中红光的频率最低，所以在玻璃中的折射率最小，由n＝可知，红光的传播速度最大；同理，紫光的频率最高，在玻璃中的折射率最大，传播速度最小，经过棱镜发生色散时，偏折最大。综上所述，A、C、D错误，B正确。 复色光通过三棱镜发生色散的规律 如图所示，复色光经过棱镜的折射后分散开来。这是因为复色光中包含多种颜色的光，且同一种介质对不同色光的折射率不同。 (1)折射率越大，则偏折角也越大，经棱镜的折射后，越靠近棱镜的底部。 (2)折射率越大，在介质中的传播速度越小。所以复色光经三棱镜的折射后，靠近棱镜顶端的色光的传播速度大，靠近棱镜底端的色光的传播速度小。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (生活情景)如图所示，太阳落山时看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者视觉误差的大小取决于当地大气的状况。造成这种现象的原因是(　　) A．光的反射 B．光的折射 C．光的直线传播 D．小孔成像 B　解析：光在同一种均匀、透明介质中沿直线传播，在不均匀的透明介质中不沿直线传播，会发生折射。由于大气层上疏下密，光线穿过不均匀的大气时连续发生折射，所以傍晚当阳光的折射光线沿水平线进入人眼时，真正的入射光线已经在地平线以下了，即这“红红的太阳”实际上是太阳的虚像，而真实的太阳已经在地平线以下，B正确。 [练4] (生活情景)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，因此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，如图所示，反光膜内均匀分布着直径为10 μm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→再折射后恰好和入射光线平行，那么入射光线第一次入射的入射角应是(　　) A．15° B．30° C．45° D．60° D　解析：作光路图如图所示，设入射角为θ，折射角为α，由几何知识可知θ＝2α，由于n＝＝＝2cos α，cos α＝＝，解得α＝30°，所以θ＝60°，D正确。 [练5] (科技情景)为了从军事工事内部观察外面的目标，工事壁上开有一长方形孔。设工事壁厚度d＝20 cm，孔的宽度L＝20 cm，孔内嵌入折射率n＝的玻璃砖，如图所示。试问： (1)嵌入玻璃砖后，工事内部人员观察到外界的视野最大张角为多少？ (2)要想使外界180°范围内的景物全被观察到，则应嵌入折射率最小为多大的玻璃砖？ 答案：(1)120°　(2)2 解析：工事内部的人从玻璃砖左侧能最大范围观察右边的目标，光路如图所示，有 tan β＝＝， 得β＝30°。 (1)由折射定律得n＝＝， 解得α＝60°， 所以视野的张角最大为2α＝120°。 (2)要使视野的张角为180°，则在空气中的入射角为90°， 再由折射定律得n0＝， 解得n0＝2， 故应嵌入折射率最小为2的玻璃砖。 学科网（北京）股份有限公司 $$