新教材高中物理第四章光1.1光的折射學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊(cè)

第1課時(shí)光的折射必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)一、光的折射將一根筷子斜插入裝有水的茶缸中，可以看到水中的筷子向上彎了。如何解釋觀察到的現(xiàn)象？提示：水中的筷子發(fā)生了折射現(xiàn)象。1．光的反射和折射：(1)光的反射：光從介質(zhì)1射到該介質(zhì)與介質(zhì)2的分界面時(shí)，一局部光會(huì)返回到介質(zhì)1，這個(gè)現(xiàn)象叫作光的反射。(2)光的折射：光從介質(zhì)1射到該介質(zhì)與介質(zhì)2的分界面時(shí)，一局部光會(huì)進(jìn)入介質(zhì)2，這個(gè)現(xiàn)象叫作光的折射。2．折射定律：(1)入射角與折射角：①入射角：入射光線與法線的夾角稱(chēng)為入射角。②折射角：折射光線與法線的夾角稱(chēng)為折射角。(2)折射定律：①內(nèi)容：折射光線與入射光線、法線處在同一平面內(nèi)，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角的正弦與折射角的正弦成正比。②公式：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n123．光路可逆：在光的反射和折射現(xiàn)象中，光路是可逆的。二、折射率幾種介質(zhì)的折射率(λ＝589.3nmt＝20℃)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，能否得出折射率大的介質(zhì)密度一定大？提示：不能。1．定義：光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫作這種介質(zhì)的絕對(duì)折射率，簡(jiǎn)稱(chēng)折射率。2．與光速的關(guān)系：某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比，即n＝eq\f(c,v)。3．意義：反映介質(zhì)的光學(xué)性能的物理量。4．特點(diǎn)：任何介質(zhì)的折射率都大于1。(1)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向一定發(fā)生變化。(×)(2)折射角增大為原來(lái)的2倍，入射角也增大為原來(lái)的2倍。(×)(3)光在同一種均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，也可以發(fā)生折射現(xiàn)象。(×)(4)當(dāng)入射角為0°時(shí)，折射角等于0°。(√)(5)入射角變化，折射角也隨之變化，但入射角一定大于折射角。(×)(6)折射率跟折射角的正弦成反比。(×)(7)介質(zhì)的折射率越大，光在這種介質(zhì)中傳播速度越快。(×)關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)一光的折射1．折射定律中的關(guān)鍵詞：(1)“同面內(nèi)〞：“折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)〞，這句話大體上說(shuō)明了三線的空間位置：折射光線在入射光線與法線決定的平面內(nèi)，即三線共面。(2)“線兩旁〞：“折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)〞，這句話把折射光線的位置又作了進(jìn)一步確實(shí)定，使得折射光線的“自由度〞越來(lái)越小。(3)“成正比〞：“入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個(gè)常數(shù)，即eq\f(sini,sinr)＝n〞，折射角r隨入射角i的變化而變化，但入射角i的正弦與折射角r的正弦之比是定值。當(dāng)入射光線的位置、方向確定下來(lái)時(shí)，折射光線的位置、方向就確定了。(4)“正弦值〞：當(dāng)光由真空射入某種介質(zhì)時(shí)，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，但入射角與折射角的正弦值的比值是一個(gè)常數(shù)。2．入射角與折射角的關(guān)系：(1)光從折射率小的介質(zhì)斜射入折射率大的介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角。(2)光從折射率大的介質(zhì)斜射入折射率小的介質(zhì)時(shí)，入射角小于折射角。提醒：光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)改變；但當(dāng)光從一種介質(zhì)垂直射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向不改變。如圖，放在杯底的硬幣，當(dāng)向杯中注水后，看上去好似硬幣與杯底一起升高了，你能說(shuō)出其中的道理嗎？提示：這是由于硬幣M上一點(diǎn)發(fā)出的兩條光線MA、MB分別在水面發(fā)生了折射，兩條折射光線的反向延長(zhǎng)線相交在M′點(diǎn)。所以，眼睛所看到的是硬幣的虛像，它離水面的距離比真實(shí)硬幣離水面的距離更近一些?！镜淅?2021·德州高二檢測(cè))在圖中虛線表示兩種介質(zhì)的界面及法線，實(shí)線表示一條光線斜射向界面后發(fā)生反射與折射的光線，以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A.M′N(xiāo)′是法線，MN是界面B．MN是法線，M′N(xiāo)′是界面C．a(chǎn)O是入射光線、Ob是折射光線、cO是反射光線D．a(chǎn)O是折射光線、Ob是反射光線、cO是入射光線【解題探究】(1)入射光線、反射光線和法線的位置有何關(guān)系？提示：反射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)。(2)入射光線、折射光線和法線的位置有何關(guān)系？提示：折射光線與入射光線分別位于法線的兩側(cè)?！窘馕觥窟xB。根據(jù)題圖有aO和bO關(guān)于MN對(duì)稱(chēng)，那么MN是法線，M′N(xiāo)′是界面，aO是入射光線、Ob是反射光線、Oc是折射光線，應(yīng)選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確。1．光從某種介質(zhì)中射入空氣中，入射角θ1從零開(kāi)始增大時(shí)，折射角θ2也隨之增大，以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A．比值eq\f(θ1,θ2)不變B．比值eq\f(sinθ1,sinθ2)隨θ1變大而增大C．比值eq\f(sinθ1,sinθ2)是一個(gè)大于1的常數(shù)D．比值eq\f(sinθ1,sinθ2)是一個(gè)小于1的常數(shù)【解析】選D。根據(jù)折射定律，光由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中，eq\f(sinθ1,sinθ2)＝常數(shù)，可知B錯(cuò)誤；由光路的可逆知eq\f(sinθ2,sinθ1)＝n，且n＞1，故eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(1,n)＜1，D正確。2．假設(shè)地球外表不存在大氣層，那么人們觀察的日出時(shí)刻與實(shí)際存在大氣層的情況相比()A．將提前B．將延后C．在某些地區(qū)將提前，在另一些地區(qū)將延后D．不變【解析】選B。光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，但地球周?chē)拇髿馐遣痪鶆虻?，離地面越高，空氣越稀薄，太陽(yáng)光從大氣層外射到地面的光線為由真空進(jìn)入空氣中，光要發(fā)生折射，越接近地面空氣越稠密，折射率也越大，因此人們觀察到的日出時(shí)刻的太陽(yáng)，實(shí)際上還完全處在地平線的下方，假設(shè)地球外表不存在大氣層，那么太陽(yáng)光將沿直線射到地面，因此只有當(dāng)太陽(yáng)到達(dá)地平線位置時(shí)，人們才能觀察到日出的太陽(yáng)。這一現(xiàn)象，與人們所站的地理位置沒(méi)有什么關(guān)系，應(yīng)選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)。知識(shí)點(diǎn)二折射率1．關(guān)于正弦值：當(dāng)光由真空射入某種介質(zhì)時(shí)，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，但正弦值的比值是一個(gè)常數(shù)。2．折射率的意義：當(dāng)光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個(gè)常數(shù)，叫折射率。對(duì)同種光來(lái)說(shuō)，不同的介質(zhì)具有不同的折射率，這說(shuō)明折射率反映了該介質(zhì)的光學(xué)特性。3．折射率與光速的關(guān)系：(1)光在介質(zhì)中的傳播速度v跟介質(zhì)的折射率n有關(guān)，即n＝eq\f(c,v)，由于光在真空中的傳播速度c大于光在任何其他介質(zhì)中的傳播速度v，所以任何介質(zhì)的折射率n都大于1。(2)某種介質(zhì)的折射率越大，光在該介質(zhì)中的傳播速度越小。4．決定因素：介質(zhì)的折射率是反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量，它的大小由介質(zhì)本身及光的性質(zhì)共同決定，與入射角、折射角無(wú)關(guān)，不隨入射角、折射角的變化而變化。5．“相對(duì)折射率〞與“絕對(duì)折射率〞：光從介質(zhì)1射入介質(zhì)2時(shí)，入射角θ1與折射角θ2的正弦之比叫作介質(zhì)2對(duì)介質(zhì)1的相對(duì)折射率，通常用n12表示。假設(shè)介質(zhì)1是真空，那么介質(zhì)2相對(duì)真空的折射率叫作該介質(zhì)的絕對(duì)折射率，通常用n表示。設(shè)介質(zhì)1的絕對(duì)折射率為n1，介質(zhì)2的絕對(duì)折射率為n2，那么n12＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(v1,v2)＝eq\f(\f(v1,c),\f(v2,c))＝eq\f(\f(1,n1),\f(1,n2))＝eq\f(n2,n1)。情境：如表所示是在探究光由真空射入某種透明介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)的規(guī)律時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)?jiān)诒砀窀咨纤伎家韵聠?wèn)題：入射角i(°)折射角r(°)i/rsini/sinr106.71.491.492013.31.501.493019.61.531.494025.21.591.515030.71.631.506035.11.711.517038.61.811.508040.61.971.51討論：(1)隨著入射角的增大，折射角怎樣變化？(2)當(dāng)入射角與折射角發(fā)生變化時(shí)，有沒(méi)有保持不變的量？提示：(1)由表格可以看出，折射角隨入射角的增大而增大。(2)由表格可以看出，在誤差允許的范圍內(nèi)，入射角的正弦與折射角的正弦的比值總是保持不變。【典例】為了從室內(nèi)觀察室外情況，某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)“貓眼〞裝置，即在門(mén)上開(kāi)一個(gè)小孔，在孔內(nèi)安裝一塊與門(mén)厚度相同的圓柱形玻璃體，厚度L＝3.46cm，直徑D＝2.00【解析】如下圖，入射角θ1＝60°折射角設(shè)為θ2，由tanθ2＝eq\f(D,L)得θ2＝30°根據(jù)折射定律eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n，得n＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)答案：eq\r(3)1.如下圖為一橫截面為直角三角形的三棱鏡，∠B＝90°，∠C＝30°。一束與AB邊成θ＝30°角的光線射向AB面，在棱鏡中經(jīng)過(guò)BC邊一次反射后從AC邊射出，出射光線的折射角為60°。那么這種材料的折射率為()A．eq\r(2)B．eq\r(3)C．eq\f(4,3)D．2【解析】選B。作出光路圖如下圖，根據(jù)幾何關(guān)系和折射定律有n＝eq\f(sin60°,sini)＝eq\f(sin60°,sin〔60°－i〕)，可得：i＝30°，n＝eq\r(3)，故B正確。2．(2021年重慶適應(yīng)性測(cè)試)將自然光引入室內(nèi)進(jìn)行照明是一種新型的綠色能源技術(shù)。某科技興趣小組設(shè)計(jì)了一種接收太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖為過(guò)裝置中心軸線的截面，上部的集光球是半徑為R的某種均勻透明材料的半球體，下部為導(dǎo)光管，兩局部的交界面是PQ。假設(shè)只有PQ上方高度h＝eq\f(\r(3),2)R范圍內(nèi)的光束平行于PQ射入后，能直接通過(guò)PQ面進(jìn)入導(dǎo)光管(不考慮集光球內(nèi)外表的反射)，求該材料的折射率。【解析】由于不考慮集光球內(nèi)外表的反射，所以最上面的一束光線的光路圖如下圖由幾何關(guān)系可知sinθ＝eq\f(h,R)＝eq\f(\r(3),2)，解得θ＝60°，可知入射角θ1＝θ＝60°，折射角θ2＝eq\f(θ,2)＝30°根據(jù)折射定律可知，材料的折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\r(3)。答案：eq\r(3)【加固訓(xùn)練】(2021·全國(guó)卷Ⅰ)如圖，△ABC為一玻璃三棱鏡的橫截面，∠A＝30°。一束紅光垂直AB邊射入，從AC邊上的D點(diǎn)射出，其折射角為60°，那么玻璃對(duì)紅光的折射率為_(kāi)_______。假設(shè)改用藍(lán)光沿同一路徑入射，那么光線在D點(diǎn)射出時(shí)的折射角________(選填“小于〞“等于〞或“大于〞)60°?！窘馕觥扛鶕?jù)折射率公式可知紅光的折射率n＝eq\f(sinα,sinβ)＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)；因?yàn)樗{(lán)光的折射率比紅光的折射率大，那么光線在D點(diǎn)射出時(shí)的折射角大于60°。答案：eq\r(3)大于【拓展例題】考查內(nèi)容：光的反射與折射現(xiàn)象的綜合應(yīng)用【典例】如下圖，半圓玻璃磚的半徑R＝10cm，折射率n＝eq\r(3)，直徑AB與屏幕MN垂直并接觸于A點(diǎn)。激光束a以入射角i＝60°射向玻璃磚圓心O，結(jié)果在屏幕MN上出現(xiàn)兩個(gè)光斑。(1)畫(huà)出光路圖。(2)求兩光斑之間的距離L?！窘馕觥?1)由折射定律和反射定律，畫(huà)出光路圖如下圖：(2)設(shè)折射角為r，由n＝eq\f(sini,sinr)解得r＝30°，反射角β＝60°兩光斑之間的距離L＝Rtan30°＋Rtan60°＝eq\f(40\r(3),3)cm＝23.1cm答案：(1)見(jiàn)解析(2)23.1情境·模型·素養(yǎng)一束白光通過(guò)玻璃三棱鏡折射后在光屏上形成彩色光帶，叫光的色散。探究：假設(shè)a、c是光帶的兩端，請(qǐng)問(wèn)分別是什么顏色的光？【解析】由公式n＝eq\f(c,v)可知，在三棱鏡中，由于a光的折射率大，a傳播速度最小，再根據(jù)v＝eq\f(λ,T)＝λf，可得a光的波長(zhǎng)最小，所以a光為紫光，c光為紅光。答案：紫光紅光光刻機(jī)是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備，光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)越短，分辨率越高。“浸沒(méi)式光刻〞是一種通過(guò)在光刻膠和