第4章 1. 光的折射-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册学习手册（人教版2019）

学 第一册 （人教版）高中物理选择性必修 第四章 光 课 标 要 求 １. 通过实验， 理解光的折射定律。 会测量材 料的折射率。 2． 知道光的全反射现象及其产生的条件， 初 步了解光纤的工作原理、 光纤技术在生产 生活中的应用。 3． 观察光的干涉、 衍射和偏振现象， 了解这 些现象产生的条件， 知道其在生产生活中 的应用。 知道光是横波， 会用双缝干涉实 验测量光的波长。 4． 通过实验， 了解激光的特性。 能举例说明 激光技术在生产生活中的应用。 知 识 结 构 规 律 公 式 1. 折射定律： sin 兹 1 sin 兹 2 =n 12 ； 2. 折射率： n= sin 兹 1 sin 兹 2 ， 兹 １ 是光在真空 （空气） 中的入射角， 兹 2 是光在介质中的折射角； n= c v ， c 是光在真空 （空气） 中的速度， v 是光在介质中的速度。 3. 全反射临界角： sin C= 1 n ， C 是临界角， n 为折射率。 4. 双缝干涉条纹间距公式： Δx= l d 姿 ， Δx 是 条纹宽度， l 是屏到双缝的距离， d 是双 缝间的距离。 提 纲 挈 领 1. 本章从光的直线传播规律以及光的波动性两 个角度进行研究， 最后一节讲了激光的特性 以及应用。 几何光学部分在课改前， 是选修 部分的必考内容， 新课程改革后， 地位同样 不可忽视， 该部分对学生几何基础要求较高。 光的波动性， 是光的波粒二象性的一个重要 分支， 既可以单独考试， 也可以综合运用。 本章内容， 课程改革后， 依然是重点和难点。 2. 本章学习方向， 一个是几何光学部分， 重 视几何情境的积累； 一个是对干涉、 衍 射、 偏振现象的理解。 这两个方面基础扎 实， 在辽宁高考物理等级考试中， 得分概 率就会很高。 3. 本章知识， 在高考中可以独立命题， 波长、 频率、 波速这些概念， 也可以与玻尔理论、 核能释放等问题关联到一起， 因此， 本章 知识是高中物理的重要模块， 不可或缺！ 光的折射 光的折射现象 折射定律 折射 射 率 光的全反射 全反射现象 临界角 发生全反射的条 射 件 光的干涉 双缝干涉 薄膜干 射 涉 光的衍射 单缝衍射 圆孔衍射 圆盘衍射 （泊松亮斑 射 ） 光的偏振现象及其应用 用 $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % 用 $ $ $ # $ $ $ % 用 $ $ $ $ $ # $ $ $ $ $ % 几何光学 物理光学 激光的特性及激光的应用 光 78 学 第四章 光 知 识 梳 理 知识点 光的折射定律与折射率 1. 折射现象： 光从一种介质进入另一种介质 时传播方向改变的现象。 2． 折射定律内容： 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。 3． 折射率。 （ 1 ） 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， 叫作这种介质的折射率。 （ 2 ） 定义式： n＝ sin 兹 1 sin 兹 2 。 折射率由介质本身 的光学性质和光的频率决定。 要 点 突 破 要点 1 光的色散 光速与波长、 频率的关系 光速 v 与波长 λ 、 频率 f 的关系为 v＝λf 。 光从一种介质进入另一种介质时， 频率不 变， 波长改变， 光速改变。 例 1 如图， 频率不同的两束单色光 1 和 2 均以 60° 的入射角从同一点射向一厚度为 d 的玻璃板的上表面 ， 后从玻璃板另一侧 射出， 已知玻璃对单色光 1 和 2 的折射率 分别为 3 姨 和 6 姨 2 ， 光在真空中的速度为 c ， 求： （ 1 ） 单色光 1 在玻璃中传播的时间。 （ 2 ） 两束单色光通过玻璃板后相距的距离。 解析： （ 1 ） 光在玻璃中的传播路径如图所 示， 单色光 1 在玻璃中的速度为 v 1 ＝ c n 1 ＝ 3 姨 c 3 ， 由 sin 60° sin β 1 ＝n 1 ＝ 3 姨 得 β 1 ＝30° ， OP＝ d cos 30° ＝ 2 3 姨 d 3 ， 1. 光 的 折 射 例 1 题图 60° 60° O β 1 β 2 M P 1 2 Q 例 1 题答图 x 根据折射定律， 求出两束光在玻璃 中的折射角， 然后由几何关系得到两束 光线在玻璃中的轨迹长度， 再利用折射 率与光速的关系， 求出光线 1 在玻璃中 的传播速度， 则问题 （ 1 ） 可求。 由玻璃 的厚度和两束光在玻璃中的折射角， 如 图所示可以得到 MQ 和 MP 的长度， 进而 求出 PQ 的长度， 再根据几何关系， 可以 获得两束光线通过玻璃板后的距离。 思路点拨 79 学 第一册 （人教版）高中物理选择性必修 故单色光 1 在玻璃中传播的时间 t 1 ＝ OP v 1 ＝ 2d c 。 （ 2 ） sin 60° sin β 2 ＝n 2 ＝ 6 姨 2 ， 得 β 2 ＝45° ， MQ＝dtan 45°＝d ， MP＝dtan 30°＝ 3 姨 d 3 ， 两束单色光通过玻璃板后相距的距离为 x＝ （ MQ－MP ） sin 30°＝ （ 3- 3 姨 ） d 6 。 答案： （ 1 ） 2d c （ 2 ） （ 3- 3 姨 ） d 6 变式训练 1 如图所示， 一半径为 R 、 由透明介质制 成的球体左侧有一沿竖直方向且与球体相切 的墙面， 图中过圆心的水平线段为球体的直 径， 在该直径的最右侧 S 点沿不同的方向发 射出两束光， 其中射到 A 点的光经折射后垂 直于墙面到达 M 点， 而射到 B 点的光恰好 在球体的表面发生全反射， ∠OSA=30° 。 求 : （ 1 ） 该透明介质的折射率。 （ 2 ） S 点发出的光在传播过程中经过 SA 与 AM 所用的时间之比。 （ 3 ） B 点到 SO 的距离。 要点 2 测定玻璃的折射率 1. 实验原理。 实验原理如图所示， 当光线 AO 1 以一定 的入射角 θ 1 穿过两面平行的玻璃砖时， 通过 插针法找出跟入射光线 AO 1 对应的出射光线 O 2 B ， 从而求出折射光线 O 1 O 2 和折射角 θ 2 ， 再根据 n＝ sin θ 1 sin θ 2 或 n＝ PN QN′ ， 算出玻璃的折 射率。 2． 实验步骤。 （ 1 ） 用图钉把白纸固定在木板上。 （ 2 ） 在白纸上画一条直线 aa′ ， 并取 aa′ 上的 一点 O 1 为入射点， 作过 O 1 点的法线 NN′ 。 （ 3 ） 画出线段 AO 1 作为入射光线， 并在 AO 1 上插上 P 1 、 P 2 两枚大头针。 （ 4 ） 在白纸上放上玻璃砖， 使玻璃砖的一条 长边与直线 aa′ 对齐， 并画出另一条长 边的对齐线 bb′ 。 （ 5 ） 眼睛在 bb′ 的一侧透过玻璃砖观察两 枚大头针并调整视线方向 ， 使 P 1 的 像被 P 2 的像挡住， 然后在眼睛这一侧 插上大头针 P 3 ， 使 P 3 挡住 P 1 、 P 2 的 像， 再插上 P 4 ， 使 P 4 挡住 P 3 和 P 1 、 P 2 的像。 （ 6 ） 移去玻璃砖， 拔去大头针， 由大头针 P 3 、 A P N a b B b′ a′ P 1 P 2 P 3 P 4 O 2 O 1 Q θ 1 θ 2 N′ S A B O M 变式训练 1 题图 80 学 第四章 光 P 4 的针孔位置确定出射光线 O 2 B 及出射 点 O 2 ， 连接 O 1 、 O 2 得线段 O 1 O 2 。 （ 7 ） 用量角器测量入射角 θ 1 和折射角 θ 2 ， 并 查出其正弦值 sin θ 1 和 sin θ 2 。 （ 8 ） 改变入射角， 重复实验， 算出不同入射 角时的 sin θ 1 sin θ 2 ， 并取平均值。 例 2 在 “测定玻璃的折射率” 实验中， 某 同学经正确操作插好了 4 枚大头针， 如图甲 所示。 （ 1 ） 在图乙中画出完整的光路图。 （ 2 ） 对你画出的光路图进行测量和计算， 求 得该玻璃砖的折射率 n = 。 （保留三位有效数字） （ 3 ） 为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现 象， 某同学做了两次实验， 经正确操作 插好了 8 枚大头针， 如图丙所示。 图中 P 1 和 P 2 是同一入射光线上的 2 枚大头 针， 其对应出射光线上的 2 枚大头针是 P 3 和 （填 “ A ” 或 “ B ”）。 解析： （ 2 ） 折射率 n= sin i sin r ， sin i 与 sin r 可利用图中的方格进行粗略的计算， 或是利 用直尺测量计算。 （ 3 ） 光路图如图所示， 光线 P 1 P 2 经两次折射后沿 P 3 A 射出， 所以 填 A 。 答案： （ 1 ） 略 （ 2 ） 1.53 （ 1.50～1.56 均正确） （ 3 ） A 变式训练 2 某小组做测定玻璃的折射率实验， 所用 器材有玻璃砖 ， 大头针 ， 刻度尺 ， 圆规 ， 笔， 白纸。 （ 1 ） 下列措施能够提高实验准确程度的是 （填序号）。 A. 选用两光学表面间距大的玻璃砖 B. 选用两光学表面平行的玻璃砖 C. 选用粗的大头针完成实验 D. 插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的 距离尽量大些 （ 2 ） 该小组用同一套器材完成了四次实验， 记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的 孔洞如图甲所示， 其中实验操作正确的 P 2 P 1 P 3 P 4 A B 丙 例 2 题答图 P 2 P 1 P 3 P 4 A B M N 乙甲 例 2 题图 本题考查利用玻璃砖测定玻璃的折 射率。 在掌握折射律的前提下， 弄清楚 光路走向是解此题的关键。 思路点拨 81 学 第一册 （人教版）高中物理选择性必修 2. 全 反 射 课 标 要 求 知识点 1 全反射 1. 光疏介质与光密介质： 通常把折射率较小 的介质称为光疏介质， 折射率较大的介质 称为光密介质。 注意： 光疏介质和光密介质是相对的。 光疏介质与光密介质的界定是以折射率为 依据的 ， 与介质的其他属性 （如密度等 ） 无关。 由折射定律可知， 光由光疏介质射入 光密介质时， 折射角小于入射角； 光由光 密介质射入光疏介质时 ， 折射角大于入 射角。 2. 全反射： 当光从光密介质射入光疏介质 时， 在界面处一部分光被反射回原介质 中， 一部分光被折射到另一种介质中， 随 着入射角的增大， 折射角逐渐增大， 且折 射光线越来越弱， 反射光线越来越强， 当 是 （填序号）。 （ 3 ） 该小组选取了操作正确的实验记录， 在 白纸上画出光线的径迹， 以入射点 O 为 圆心作圆， 与入射光线、 折射光线分别 交于 A 、 B 点， 再过 A 、 B 点作法线 NN′ 的垂线， 垂足分别为 C 、 D 点， 如图乙 所示， 则玻璃的折射率 n= 。 （用图中线段的字母表示） 拓 展 创 新 折射机理。 光波是一种特定频段的电磁 波。 光在传播过程中有两个垂直于传播方向 的分量： 电场分量和磁场分量。 当电场分量 与介质中的原子发生相互作用， 引起电子极 化， 即造成电子云和原子荷重心发生相对位 移。 其结果是一部分能量被吸收， 同时光在 介质中的速度被减慢， 方向发生变化， 导致 折射的发生。 反射和折射不能用粒子性解释， 应用经 典粒子理论得到的折射速度不同。 在经典波 动光学之中能有较好的解释。 在利用近代理 论解释光的折射和反射过程中， 也不能理解 为粒子碰撞。 实际上可以理解为部分光子透 射、 部分光子反射。 但是如果想问是哪个光 子反射、 哪个光子折射， 实际上是办不到 的。 因为光子只代表电磁场能量分布， 其出 现多少代表了电磁场的能量大小。 在光入射 到物质表面时， 部分电磁场能量透射， 形成 折射光， 部分电磁场能量反射， 因此在折射 和反射方向都能探测到光子。 变式训练答案 1. （ 1 ） 3 姨 （ 2 ） 6 ∶ 1 （ 3 ） 2 2 姨 3 R 2. （ 1 ） AD （ ２ ） D （ ３ ） AC BD N O C D A B N′ 乙甲 变式训练 2 题图 A B C D 82