第1节 光的折射定律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第四章　光及其应用 第一节　光的折射定律 核心素养导学 物理观念 知道光的折射现象，理解光的折射定律和折射率的概念。 科学思维 学会根据光的折射画出光路图，应用光的折射定律分析解决问题。 科学探究 学会用实验探究折射角与入射角的关系。 反射 (1)光在均匀介质中沿直线传播。 (2)光发生折射的条件是光从一种介质进入另一种介质。　　 折射 同一平面内 两侧 正比 正弦值 正弦值 大于 越小 1．将一根筷子斜插入装有水的茶缸中，可以看到水中的筷子向上弯了。如何解释观察到的现象？ 提示：筷子发生了光的折射现象。 试根据表中数据判断下列说法的正误： (1)介质的折射率都大于1。 ( ) (2)折射率大的介质密度一定大。 ( ) (3)玻璃的折射率一定大于水晶的折射率。 ( ) (4)光在水中的传播速度大于光在酒精中的传播速度。 ( ) √ × × √ 新知学习(一)|光的折射和折射定律 [任务驱动] 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。你知道这是为什么吗？ 提示：人看到的鱼是由于折射而成的像，其位置在鱼的实际位 置上方，如图所示。 [重点释解] 1．光的方向 光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化(斜射)，并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化。 2．光的传播速度 光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但也属于折射，光传播的速度也发生变化。 3．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)当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时，入射角大于折射角，当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时，入射角小于折射角。 [答案]　(1)7 m　(2)5.5 m /方法技巧/ 解决光的折射问题的基本思路 (1)根据题意正确画出光路图。 (2)利用几何关系确定光路中的边、角关系，注意入射角、反射角、折射角的确定。 (3)利用反射定律、折射定律求解有关问题。 (4)注意光路可逆性的利用。 [针对训练] 1． 在图中虚线表示两种介质的界面及法线，实线表示一条光线斜 射向界面后发生反射与折射的光线，以下说法正确的是 (　 ) A．M′N′是法线，MN是界面 B．MN是法线，M′N′是界面 C．aO是入射光线，Ob是折射光线，cO是反射光线 D．aO是折射光线，Ob是反射光线，cO是入射光线 解析：根据题图有aO和bO关于MN对称，则MN是法线，M′N′是界面，aO是入射光线，Ob是反射光线，Oc是折射光线，A、C、D错误，B正确。 答案：B　 答案：B 新知学习(二)|对折射率的理解和计算 [任务驱动] 如下表所示是在探究光由真空射入某种透明介质发生折射时的规律时得到的实验数据，请在表格基础上思考以下问题： 入射角i(°) 折射角r(°) i/r sin i/sin r 10 6.7 1.49 1.49 20 13.3 1.50 1.49 30 19.6 1.53 1.49 40 25.2 1.59 1.51 50 30.7 1.63 1.50 60 35.1 1.71 1.51 70 38.6 1.81 1.51 80 40.6 1.97 1.51 (1)随着入射角的增大，折射角怎样变化？ (2)当入射角与折射角发生变化时，有没有保持不变的量？ 提示：(1)随着入射角的增大，折射角也增大。 (2)由表中数据可知，当入射角与折射角发生变化时，入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值保持不变。　　　　 (1)水的折射率n； (2)两条折射光线之间的距离d。 [答案]　(1)tan θ　(2)Dtan θ 答案：C 2．一个圆柱形桶，直径为12 cm，高为16 cm。人眼在桶右侧上方某处观察，看到桶左侧的深度为9 cm。当桶中装满某种液体时，则恰能看到桶左侧的最低点。求： (1)此液体的折射率； (2)光在此液体中的传播速度。 科学态度与责任——太阳升出地平线分析 3．(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)早晨，当我们看到太阳刚刚升出地平线时，实际上太阳还在地平线以下。请解释这一现象。 提示：由于离地面越近，空气的折射率越大，故太阳光进入地球大气层后光线逐渐向下偏折，所以当我们看到太阳刚刚升出地平线时，实际的太阳还在地平线以下。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．光刻机是生产大规模集成电路的核心设备，光刻机的曝光波长越短，分辨率越高。“浸没式光刻”是一种通过在光刻胶和投影物镜之间加入浸没液体，从而减小曝光波长、提高分辨率的技术。如图所示，若浸没液体的折射率为1.44，当不加浸没液体时光刻胶的曝光波长为193 nm，则加入浸没液体时光刻胶的曝光波长约为(　 ) 答案：B　 答案：A　 一、光的折射定律 1．光的反射和折射：当光遇到不同介质的分界面时，一部分被反射回原来的介质中，发生光的_____，另一部分进入不同介质后偏向另一个方向传播，发生光的_____。 2．光的折射定律：折射光线与入射光线、法线在____________，折射光线与入射光线分别位于法线的_____；入射角i的正弦值与折射角γ的正弦值成_____，用公式表示为＝n。 二、折射率 1．定义：光从真空射入某种介质发生折射时，入射角i的_______与折射角γ的_______之比n，叫作这种介质的折射率。 2．表达式：n＝_______。 3．物理意义：反映介质的光学性质的物理量。 4．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＝____，由于真空中光速最大，故所有介质的折射率都_____1；且折射率越大，光在此介质中的传播速率______。 2．几种介质的折射率(λ＝589.3 nm　t＝20 ℃) 介质 折射率 介质 折射率 钻石 2.419 氯化钠 1.54 二硫化碳 1.63 酒精 1.36 玻璃 1.5～1.9 水 1.333 水晶 1.55 空气 1.000 3 [典例体验] [典例]　如图，一艘帆船静止在湖面上，帆船的竖直桅杆顶端高出水面3 m。距水面4 m的湖底P点发出的激光束，从水面出射后恰好照射到桅杆顶端，该出射光束与竖直方向的夹角为53°(取sin 53°＝0.8)。已知水的折射率为。 (1)求桅杆到P点的水平距离； (2)船向左行驶一段距离后停止，调整由P点发出的激光束方向，当其与竖直方向夹角为45°时，从水面射出后仍照射在桅杆顶端，求船行驶的距离。 [解析]　(1)设光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1，到P点的水平距离为x2；桅杆高度为h1，P点处水深为h2；激光束在水中与竖直方向的夹角为θ。由几何关系有＝tan 53° ① ＝tan θ ② 由折射定律有sin 53°＝nsin θ ③ 设桅杆到P点的水平距离为x，则 x＝x1＋x2 ④ 联立①②③④式并代入题给数据得 x＝7 m。 ⑤ (2)设激光束在水中与竖直方向的夹角为45°时，从水面出射的方向与竖直方向夹角为i′，由折射定律有 sin i′＝nsin 45° ⑥ 设船向左行驶的距离为x′，此时光束从水面射出的点到桅杆的水平距离为x1′，到P点的水平距离为x2′，则 x1′＋x2′＝x′＋x ⑦ ＝tan i′ ⑧ ＝tan 45° ⑨ 联立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入题给数据得 x′＝(6－3)m≈5.5 m。 ⑩ 2.如图所示，用激光笔照射半圆形玻璃砖圆心O点，发现有a、b、c、d四条细光束，其中d是光经折射和反射形成的。当入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度Δθ时，b、c、d也会随之转动，则(　 ) A．光束b顺时针旋转角度小于Δθ B．光束c逆时针旋转角度小于Δθ C．光束d顺时针旋转角度大于Δθ D．光束b、c之间的夹角减小了2Δθ 解析：设入射光束a的入射角为α，则反射角为α，光束c的折射角为β，光束d的反射角也为β，入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度Δθ时，入射角变为α′＝Δθ＋α，由反射定律可知反射角等于入射角，则光束b顺时针旋转角度等于Δθ，A错误；由折射定律有＝n>1，＝n＞1，可得Δθ′<Δθ，即光束c逆时针旋转角度小于Δθ，B正确；光束d的反射角变化与光束c的折射角变化相等，则光束d顺时针旋转角度小于Δθ，C错误；光束b顺时针旋转角度等于Δθ，光束c逆时针旋转角度小于Δθ，则光束b、c之间的夹角减小的角度小于2Δθ，D错误。 [重点释解] 1．对折射率的理解 (1)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及入射光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关。 (2)从公式n＝看，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都大于1。 (3)由于n>1，从公式n＝看，光从真空斜射向任何其他介质时，入射角都大于折射角。类推可知，当光从折射率小的介质斜射向折射率大的介质时，入射角大于折射角。 2．折射率的计算方法 (1)n＝，这种方法是用光的折射现象来计算。 (2)n＝，这种方法是用光速来计算。 [典例体验] [典例]　如图所示，两条距离为D的平行光线，以入射角θ从空气射入平静水面，反射光线与折射光线垂直，求： [解析]　(1)设折射角为γ，根据几何关系可得 γ＝90°－θ 根据折射定律可得n＝ 联立可得n＝tan θ。 (2)如图所示 根据几何关系可得d＝·sin θ＝Dtan θ。 /方法技巧/ 折射率的定义式n＝中的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，产生这种现象的原因是由于光路的可逆性。　　　 解析：由题图可知，光线从玻璃射向空气时，入射角为θ1＝30°，折射角为θ2＝60°，则玻璃的折射率n＝＝，C正确。 1.如图所示，有玻璃三棱镜ABC，顶角A为30°，一束光线a垂直于AB射入棱镜，由AC射出进入空气，测得出射光线与入射光线的夹角为30°，则棱镜的折射率为(　 ) A. B. C. D. 解析：(1)设入射角为θ1，折射角为θ2，由几何关系可知sin θ2＝，sin θ1＝ 所以折射率n＝＝＝＝。 (2)光在此液体中的传播速度为 v＝＝ m/s＝2.25×108 m/s。 答案：(1)　(2)2.25×108 m/s 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——绝对折射率和相对折射率 1．(选自鲁科版新教材“拓展一步”) 在折射现象中，设光由介质1进入介质2，这时的折射率称为介质2对介质1的相对折射率，通常用n21表示，此时，折射定律应写成＝n21， 相对折射率与绝对折射率的关系为n21＝， 式中，n1和n2是介质1和介质2的绝对折射率，由上面的公式还可得出折射定律的另一种表达形式n1sin i＝n2sin r。 科学思维——“视深”问题 2．(选自鲁科版新教材例题)如图所示，透过玻璃砖看字母，字母会显得高一些。假设玻璃砖的厚度为H，玻璃的折射率n＝1.5。如果垂直于玻璃砖向下看，字母的视深是多少？ 分析：在图中，用点O表示字母上的某一点，OA和OB是从点O射向玻璃砖上表面的光，光经折射后进入人眼，人感觉它们是从玻璃中的点D射出的，D即为眼睛看到的点O的像，AD就是字母的视深h，实际深度为H。 解析：光由玻璃进入空气，由光的折射定律 ＝及几何关系sin i＝，sin r＝ 得n＝，因为OB很靠近OA，所以OB≈OA，BD≈AD因此n≈＝，h≈＝H 故垂直于玻璃砖向下看，字母的视深是H。 答案：H A．161 nm B．134 nm C．93 nm D．65 nm 解析：加入浸没液体时光刻胶的曝光波长λ＝，光在浸没液体中的传播速度v＝，不加入浸没液体时对光线有c＝λ0f，联立得λ＝＝ nm≈134 nm，故B正确，A、C、D错误。 2．(2023·浙江1月选考)如图所示为一斜边镀银的等腰直角棱镜的截面图。一细黄光束从直角边AB以角度θ入射，依次经AC和BC两次全反射，从直角边AC出射。出射光线相对于入射光线偏转了α角，则α(　 ) A．等于90° B．大于90° C．小于90° D．与棱镜的折射率有关 解析：做出光路图，标出各角度值分别为θ1 、θ2、θ3、θ4、θ5，由几何关系可得：θ1＋θ2＝90°，θ1＝θ4，θ2－θ3＝45°，由于n＝＝，得θ＝θ5，则α＝－(θ－θ1)－(180°－2θ2)＋(180°－2θ3)＋(θ5－θ4)＝90°，故A正确。 3．如图所示，救生员坐在泳池旁边凳子上，其眼睛到地面的高度h0为1.2 m，到池边的水平距离L为1.6 m，池深H为1.6 m，池底有一盲区。设池水的折射率为。当池中注水深度h为1.2 m和1.6 m时，池底盲区的宽度分别是多少。 解析：当池中注水深度h为1.2 m，光路图如图所示 根据几何关系知：sin i＝＝ 即i＝53° 根据折射率可求得：sin r＝＝ 即r＝37° 根据几何关系可知盲区为：s＝(1.6 m－1.2 m)tan 53°＋1.2 m×tan 37°＝ m 当池中注水深度h为1.6 m时，同理可得：s′＝1.6 m×tan 37°＝1.2 m。 答案： m　1.2 m $$