4.1光的折射 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

第四章 光 第1节 光的折射 射水鱼在水中能准确射中水面上不远处的小昆虫。水中的鱼看到小昆虫在什么位置？是在昆虫的上方还是下方？ 问题： 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，这个现象叫作光的反射；另一部分光会进入第2种介质，这个现象叫作光的折射。光在反射时遵从反射定律，光在折射时遵从什么规律呢？ 光的反射和折射同时发生 θ1 sinθ1 θ2 sinθ2 sinθ1/sinθ2 1 30 0.50 19 0.33 1.54 2 40 0.64 25 0.42 1.52 3 50 0.77 30 0.50 1.53 4 60 0.87 35 0.57 1.51 平均值 1.52 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。 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： 一、折射定律 （1）式中的比例常数n12与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关。 （2）折射现象中光路是可逆的； （3）光的传播方向: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。当光垂直界面入射时,传播方向就不发生变化。 （4）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。 光的折射定律的说明： N N′ 空气 玻璃 i r O A B 界面 法线 入射光线 折射光线 入射角 折射角 ( ( 反射光线 1.折射光线、入射光线、法线在同一平面内 2.折射光线和入射光线分居法线两侧 3.当光从空气斜射入玻璃中时，折射角小于入射角 4.当光从玻璃斜射入空气中时，折射角大于入射角 5.当入射角增大时，折射角也随着增大 入射角与折射角有什么定量关系呢？ 入射角i 10 30 40 50 60 70 80 折射角r 6.6 19.5 25.4 30.7 35.3 38.8 41.1 i / r 1.51 1.54 1.57 1.63 1.70 1.80 1.95 sini/sinr 1.51 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 =n（n为常数） 实验结论：入射角的正弦跟折射角的正弦成正比 以光从空气射入玻璃为例 折射角和入射角的关系 思考：如果将玻璃换成其它介质，入射角和折射角的正弦之比是否具有相同的结论？ 斯涅耳 1621 年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量实验数据后，找到了两者 之间的关系，并把它总结为光的折射定律（refraction law）： 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: 说明： （1）折射现象中光路是可逆的； （2）光的传播方向: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。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。 （3）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,光传播的速度发生变化。 二、光的折射 1.规律得出的过程: 2.正确规律的得出往往要经过曲折的过程，要经过实践的多次检验。 古希腊哲学家托勒密的结论:折射角与入射角成正比 托勒密的实验数据记录非常详细、准确，只可惜欠缺数学眼光，致使结论的总结出现错误。而这个看来仅仅一步之遥的距离却又使人类经历了一千五百多年的探索！ 科学足迹 荷兰数学家斯涅耳的结论:折射角与入射角的正弦成正比 说明：（1）n的大小与θ1和θ2无关，与介质和入射光 的频率有关，对于确定的介质，n是定值，不能说n∝sinθ1或n∝1/sinθ2 （2）折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1。 2.定义式: 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，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率。用符号 n 表示。 （3）折射率反映介质对光的偏折作用，n越大光线偏折越厉害。 三、折射率 (4)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。 (5)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。 三、折射率 空气对光的传播影响很小，可以作为真空处理 1、由光的折射定律，n是个没有单位的常数； 2、对不同介质，n的数值不同。n与介质有关系，是反映介质光学性质的物理量。 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=c/v 。 4、特点:任何介质的折射率都大于1。 5、折射率反映介质对光的偏折作用，n越大光线偏折越厉害。 光的折射率的说明： 几种介质的折射率（λ ＝ 589.3 nm， t ＝ 20 ℃） 误区1:误认为折射率定义式中θ1一定是入射角 产生误区的原因是对折射率定义理解不清,θ1是真空(空气)中的光线与法线的夹角,不一定是入射角;θ2是介质中的光线与法线的夹角,不一定是折射角。 误区2:误认为介质的密度越大,折射率越大 这是由于不理解折射率和密度的关系,介质的折射率和密度没有必然的联系,密度大,折射率不一定大。 认识折射率的误区 【例1】如图所示，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4/3. (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，当其与竖直方向的夹角为45°时，从水面射出后仍照射在桅杆顶端，求船行驶的距离． 【针对训练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4/3，试估算河水深度． [例2]两束平行的细激光束垂直于半圆柱形玻璃的平面射入，如图所示．已知其中一束光沿直线穿过玻璃，它的入射点是O，另一束光的入射点是A，穿过玻璃后两条光线交于P点．已知玻璃半圆截面的半径为R，OA＝ ，OP＝ R.求玻璃的折射率． A [针对训练2]如图所示，直角三棱镜ABC的一个侧面BC紧贴在平面镜上，∠BAC＝β.从点光源S发出的细光束SO射到棱镜的另一侧面AC上，适当调整入射光SO的方向，当SO与AC成α角时，其折射光在平面镜处发生一次反射，从AC面射出后恰好与SO重合，则此棱镜的折射率为 第2课时　实验：测量玻璃的折射率 测量玻璃的折射率 测量玻璃的折射率 如图当光以一定的入射角透过一块两面平行的玻璃砖时，只要找出与入射光线 AO相对应的出射光线O′D，就能够画出光从空气射入玻璃后的折射光线 OO′，于是就能测量入射角 θ1、折射角 θ2。 根据折射定律，就可以求出玻璃的折射率了。 怎样确定与入射光线 AO 相对应的折射光线 OO′？ 实验原理： 用插针法研究某一条光线经过平行玻璃砖，测出折射角和入射角。 实验方法： （1）铺纸（将白纸用图钉固定在木板上）； （2）在白纸上画一条线aa′作为界面，过aa′上的一点O（作为入射点）画法线N′N,并画AO作为入射光线； （3）把玻璃砖放在白纸上，使它的一边与aa’对齐，确定玻璃砖的另一界面bb′； （4）在直线AO上竖直插大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线让P2挡住P1的像。再在另一侧竖直插上两枚大头针P3、P4 ，使P3挡住P1 、 P2的像，P4挡住P3、P2、P1的像，记下P3、 P4位置。 实验步骤： （5）移去在大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O'B与bb'交于O'（作为实际出射点），直线O'B代表沿AO方向入射光通过玻璃砖后的传播方向。 （6）连接OO'，入射角i=∠AON',折射角r＝ ∠N'OO'，用量角 器量出入射角和折射角，求出对应的正弦值，记录在表格中。 （7）用上述方法求出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角，查出它们的正弦值代入计算。 （8）算出不同入射角时的入射角与折射角的正弦比值，最后求出几次实验的平均值为折射率。 注意事项： （1）入射角一般取15o→75o为宜 （太小，相对误差大；太大,使折射光线弱，不易观察） （2）插针要竖直，且间距适当大些（精确确定光路） （3）插针法实验，玻璃砖不能动（移动会改变光路图 ） （4）确定边界线时严禁把玻璃砖当尺子用（损坏玻璃砖），画边界线时描两点确定边界线。 （5）玻璃砖宽度在5cm以上（让折射光线长点以减小误差） 【例1】如图甲所示，某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa′和bb′，O为直线AO与aa′的交点．在直线OA上竖直地插上P1、P2两枚大头针． (1)该同学接下来要完成的必要步骤有________． A．插上大头针P3，使P3仅挡住P2的像 B．插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像 C．插上大头针P4，使P4仅挡住P3 D．插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像 BD (2)过P3、P4作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′的直线NN′，连接OO′.测量图甲中角α和β的大小．则玻璃砖的折射率n＝________. (3)如图乙所示，该同学在实验中将玻璃砖界面aa′和bb′的间距画得过宽．若其他操作正确，则折射率的测量值________(填“大于”“小于”或“等于”)准确值． (4)另一位同学准确地画好玻璃砖的界面aa′ 和bb′后，实验过程中不慎将玻璃砖向下平 移了一些，如图丙所示，而实验的其他操作均正确，则折射率的测量值________(填“大于”“小于”或“等于”)准确值． 【针对训练1】某同学在测量一厚度均匀的圆柱体玻璃的折射率时，先在白纸上作一个与玻璃圆柱同半径的圆，圆心为O，将玻璃圆柱平放在白纸上，使其边界与所画的圆重合．在玻璃圆柱一侧竖直插上两枚大头针P1和P2，在另一侧再先后插上两枚大头针P3和P4，使该同学从另一侧隔着玻璃圆柱观察时，大头针P4和P3及P2、P1的像恰好在一条直线上，移去玻璃圆柱和大头针后，在白纸上得到如图所示的图． (1)作出沿P1和P2连线方向的入射光线通过圆柱体玻璃后的传播方向； (2)作出光线在玻璃内的传播方向； (3)在光线的入射点作法线，标出入射角θ1和折射角θ2； (4)写出计算玻璃折射率的公式(不必计算)． 【例2】某组同学用插针法测平行玻璃砖的折射率，记录下入射光线、折射光线、出射光线后，以入射点O为圆心画单位圆，用直尺测得有关线段的长度．如图所示，则下列四个表达式中，正确地表达了折射率关系式的是 B 【针对训练2】学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器，如图所示，在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上，垂直盘面插上两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直浸入液体中，而且总保持液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2的像，同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值． (1)若∠AOF＝30°，OP3与OC的夹角为30°，则P3处对应的折射率的值为________． (2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率的值大？ (3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率的值应为_______． $$