2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理選擇性必修1 第4章光第1節(jié)光的折射課件

第4章光的折射和全反射第1節(jié)光的折射

一、探究折射角與入射角的關(guān)系1.光的折射:光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí),傳播方向會(huì)_____,這種現(xiàn)象叫作光的折射.2.各光線的位置:折射光線、入射光線和法線在_____(選填“同一”或“不同”)平面內(nèi),折射光線和入射光線分別位于_____兩側(cè).二、光的折射定律1.折射定律:(1)內(nèi)容:入射角的_____與折射角的_____之比是一個(gè)常數(shù),這個(gè)關(guān)系稱(chēng)為光的折射定律,也叫___________.(2)表達(dá)式:

=n.改變同一法線正弦正弦斯涅耳定律2.介質(zhì)的折射率:光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí),入射角i的正弦與折射角r的正弦的______.也稱(chēng)為_(kāi)__________.3.光路可逆:與_____現(xiàn)象一樣,在折射現(xiàn)象中,光路也是可逆的.比值n絕對(duì)折射率反射三、折射率【思考】

光從空氣斜射入不同介質(zhì)中時(shí),光的偏折程度相同嗎?提示:從空氣斜射入不同介質(zhì)中時(shí),光的偏折程度一般不同.1.折射率的意義:不同介質(zhì)的折射率不同,介質(zhì)的折射率反映了光在介質(zhì)中的_____程度.2.折射率與光速的關(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_____,即n=

.3.絕對(duì)折射率和相對(duì)折射率:(1)相對(duì)折射率:設(shè)光由介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)2,這時(shí)的折射率叫作介質(zhì)2對(duì)介質(zhì)1的相對(duì)折射率,通常用n21表示,則

=n21.(2)相對(duì)折射率與絕對(duì)折射率的關(guān)系:n21=

,其中n1和n2分別是介質(zhì)1和介質(zhì)2的絕對(duì)折射率.(3)折射率的另一種表達(dá)式:n1sini=n2sinr.偏折之比一折射定律的含義對(duì)折射定律內(nèi)容的認(rèn)識(shí):(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)一步的確定,使得折射光線的“自由度”越來(lái)越小.(3)“正比律”:“入射角的正弦與折射角的正弦之比是一個(gè)常數(shù),即

=n”,折射角r隨入射角i的變化而變化,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).【思考·討論】如圖所示,放在杯底的硬幣,當(dāng)向杯中注水后,看上去好像硬幣與杯底一起升高了,你能說(shuō)出其中的道理嗎? (物理觀念)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.【典例示范】一個(gè)正方體容器的截面ABCD如圖所示,容器棱長(zhǎng)為L(zhǎng),容器中裝滿(mǎn)某種液體時(shí),點(diǎn)光源P發(fā)出的—條光線從D點(diǎn)以45°的入射角射入液體,恰好照到容器底部中心點(diǎn)E.

(1)求該液體的折射率;(2)若液面下降到容器深度一半的FG位置,求該光線照射到容器底部的位置.【解題探究】(1)光的折射定律的內(nèi)容是什么?提示:n=.(2)光的折射率和什么有關(guān)?提示:光的折射率與介質(zhì)有關(guān).不同介質(zhì)的折射率一般不同.【解析】(1)由幾何關(guān)系可知,折射角的正弦值:sinr=折射率:n=(2)若液面下降到容器深度一半的FG位置,則光路如圖.則折射角仍為r,由相似三角形關(guān)系可知GE=EC,則光線照射到容器底部的位置距離E點(diǎn)L.答案:(1)

(2)L【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.單色光線由某種介質(zhì)射向該介質(zhì)與空氣的交界面,當(dāng)入射角為30°時(shí),折射光線與反射光線剛好垂直,則該介質(zhì)對(duì)該種色光的折射率為 (

)

A.2 B.

C.1.5 D.【解析】選D.當(dāng)入射角i=30°時(shí),折射光線與反射光線恰好垂直,則折射角r=90°-30°=60°,該介質(zhì)對(duì)該種色光的折射率為n=,故選項(xiàng)D正確,A、B、C錯(cuò)誤.2.如圖所示,一條光線通過(guò)一個(gè)在水中的球形空氣泡,下列哪一條表示出射光線的路徑 (

)A.光線1B.光線2 C.光線3 D.光線4【解析】選A.光先從水進(jìn)入空氣泡中,由折射定律可知折射角應(yīng)大于入射角;然后又從空氣射入水中,折射角應(yīng)小于入射角.所以選A.3.人造樹(shù)脂是常用的眼鏡鏡片材料.如圖所示,光線射在一人造樹(shù)脂立方體上,經(jīng)折射后,射在桌面上的P點(diǎn).已知光線的入射角為30°,OA=5cm,AB=20cm,BP=12cm,求該人造樹(shù)脂材料的折射率n.【解析】設(shè)折射角為γ,由折射定律,sin30°=nsinγ由幾何關(guān)系知sinγ=,且OP=代入數(shù)據(jù)解得n=1.5答案:1.5【補(bǔ)償訓(xùn)練】一束單色光由空氣射入玻璃,這束光的 (

)A.速度變慢,波長(zhǎng)變短 B.速度不變,波長(zhǎng)變短C.頻率增高,波長(zhǎng)變長(zhǎng) D.頻率不變,波長(zhǎng)變長(zhǎng)【解析】選A.玻璃的折射率n=>1,所以光經(jīng)空氣射入玻璃速度減小.波長(zhǎng)、波速和頻率三者的關(guān)系是v=λf,光經(jīng)空氣進(jìn)入玻璃,頻率f不變,波長(zhǎng)變短.所以A正確.二折射率的特點(diǎn)對(duì)折射率特點(diǎn)的認(rèn)識(shí):(1)折射率大小不僅反映了介質(zhì)的折射本領(lǐng),也反映了光在介質(zhì)中傳播速度的大小.不同介質(zhì)具有不同的折射率,說(shuō)明折射率反映了該介質(zhì)的光學(xué)特性.(2)介質(zhì)的折射率是反映介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量,它的大小只能由介質(zhì)本身及光的性質(zhì)共同決定,不隨入射角、折射角的變化而變化.(3)介質(zhì)的折射率n跟光在其中的傳播速度v有關(guān),即n=

.由于光在真空中的傳播速度c大于光在任何介質(zhì)中的傳播速度v,所以任何介質(zhì)的折射率n都大于1.因此,光從真空斜射入任何介質(zhì)時(shí),入射角均大于折射角;而光由介質(zhì)斜射入真空時(shí),入射角均小于折射角.【思考·討論】有經(jīng)驗(yàn)的漁民叉魚(yú)時(shí),不是正對(duì)著看到的魚(yú)去叉,而是對(duì)著所看到魚(yú)的下方叉,如圖所示.你知道這是為什么嗎? (物理觀念)提示:從魚(yú)身上反射的光線由水中進(jìn)入空氣時(shí),在水面上發(fā)生折射,折射角大于入射角,折射光線進(jìn)入人眼,人眼會(huì)逆著折射光線的方向看去,就會(huì)覺(jué)得魚(yú)變淺了,眼睛看到的是魚(yú)的虛像,在魚(yú)的上方,所以叉魚(yú)時(shí)要瞄準(zhǔn)像的下方,如圖所示.【典例示范】如圖所示,一個(gè)截面為矩形的水池,池底有一垂直于池壁的線形發(fā)光體,長(zhǎng)度l=3m,當(dāng)池中未裝水時(shí),一高h(yuǎn)=1.5m的人站在距池邊s1=2m的A點(diǎn),只能看到發(fā)光體的左端點(diǎn)①.當(dāng)將水池加滿(mǎn)水時(shí),人需移動(dòng)到距池邊s2=3m的B點(diǎn)時(shí),才只能看到發(fā)光體的左端點(diǎn)②.已知發(fā)光體的右端緊靠站人一方的池邊,人站的位置與發(fā)光體在同一豎直面內(nèi),不計(jì)人眼到頭頂?shù)木嚯x.求: (1)水池中水的折射率③

;(2)人站在B點(diǎn)時(shí)看到的左端點(diǎn)的像到發(fā)光體的距離.【審題關(guān)鍵】序號(hào)信息提?、倏汕笕肷浣堑恼抑耽诳汕笳凵浣堑恼抑耽壅凵渎蕁=

【解析】(1)光路如圖所示:當(dāng)水池中裝滿(mǎn)水,光從發(fā)光體的左端點(diǎn)發(fā)出的光射到站在B處的人的眼睛中時(shí),對(duì)應(yīng)的入射角的正弦值為sini=對(duì)應(yīng)的折射角的正弦值為sinr=故水池中水的折射率n=解得:n=

(2)設(shè)水池深度為H,當(dāng)人站在A點(diǎn)時(shí),解得:H=2.25m設(shè)左端點(diǎn)的像到水面的距離為x,則有:

解得:x=1.5m則左端點(diǎn)的像到發(fā)光體的距離為H-x=0.75m.答案:(1)

(2)0.75m【規(guī)律方法】利用光路圖解決光的折射問(wèn)題的步驟(1)根據(jù)題意畫(huà)出正確的光路圖.首先要找到入射的界面,同時(shí)準(zhǔn)確地作出法線,再根據(jù)折射定律和入射光線畫(huà)出折射光線,找到入射角和折射角,要注意入射角、折射角是入射光線、折射光線與法線的夾角.(2)利用幾何關(guān)系確定光路圖中的邊、角關(guān)系,與折射定律n=

中的各量準(zhǔn)確對(duì)應(yīng).(3)利用折射定律n=

、折射率與光速的關(guān)系n=

列方程,結(jié)合數(shù)學(xué)三角函數(shù)的知識(shí)進(jìn)行運(yùn)算.【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)如圖所示,一束復(fù)色光由空氣射向一塊兩面平行的玻璃磚,經(jīng)折射后分為兩束單色光a和b,下列判斷正確的是 (

)A.a光的頻率小于b光的頻率B.在玻璃磚中a光的波長(zhǎng)小于b光的波長(zhǎng)C.若單色光a是藍(lán)光,則b可能是紫光D.單色光a和b從下表面射出時(shí)一定平行【解析】選B、D.復(fù)色光進(jìn)入玻璃磚時(shí)兩光的入射角i相等,設(shè)折射角分別為ra、rb,由圖知,ra<rb,由n=,得na>nb,則fa>fb,故A錯(cuò)誤;在玻璃磚中v=、v=λf,則在玻璃磚中波長(zhǎng)λ=,得λa<λb,故B正確;因?yàn)閒a>fb,所以若單色光a是藍(lán)光,則b不可能是紫光,故C錯(cuò)誤;由光路可逆原理可知,離開(kāi)玻璃磚時(shí)與進(jìn)入玻璃磚時(shí)光線平行,故D正確.2.(多選)井口大小和深度相同的兩口井,一口是枯井,一口是水井(水面在井口之下),兩井底部中心處各有一只青蛙,則(

)A.枯井中的青蛙覺(jué)得井口大些B.水井中的青蛙覺(jué)得井口大些C.晴天的夜晚,枯井中的青蛙能看到更多的星星D.晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星【解析】選A、D.作出光路圖(如圖所示)可知,枯井中的青蛙覺(jué)得井口大些,A符合題意,B不符合題意;晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星,C不符合題意,D符合題意.3.如圖所示,一根豎直插入水中的桿AB,在水中部分長(zhǎng)1.0m,露出水面部分長(zhǎng)0.3m,已知水的折射率為

,則當(dāng)陽(yáng)光與水平面成37°角時(shí),桿AB在水下的影長(zhǎng)為多少?(sin37°=0.6,cos37°=0.8)【解析】光路如圖所示由題意可得入射角為53°由折射定律=n,,則r=37°,由幾何關(guān)系得影長(zhǎng)s=0.3m×tan53°+1m×tan37°=1.15m答案:1.15m【拓展例題】考查內(nèi)容:折射率的計(jì)算【典例】如圖,置于空氣中的一不透明容器內(nèi)盛滿(mǎn)某種透明液體.容器底部靠近器壁處有一豎直放置的6.0cm長(zhǎng)的線光源.靠近線光源一側(cè)的液面上蓋有一遮光板,另一側(cè)有一水平放置的與液面等高的望遠(yuǎn)鏡,用來(lái)觀察線光源.開(kāi)始時(shí)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡不能看到線光源的任何一部分.將線光源沿容器底向望遠(yuǎn)鏡一側(cè)平移至某處時(shí),通過(guò)望遠(yuǎn)鏡剛好可以看到線光源底端,再將線光源沿同一方向移動(dòng)8.0cm,剛好可以看到其頂端,求此液體的折射率n.【解析】若線光源底端在A點(diǎn)時(shí),望遠(yuǎn)鏡剛好可看到線光源的底端,則有:∠AOO′=α其中α為此液體到空氣的全反射臨界角,由折射定律得:sinα=同理,線光源頂端在B1點(diǎn)時(shí),望遠(yuǎn)鏡剛好可看到線光源的頂端,則∠B1OO′=α由圖中幾何關(guān)系得:sinα=解得:n==1.25答案:1.25【課堂回眸】1.(多選)關(guān)于光的折射和折射率,下列說(shuō)法正確的是 (

)A.折射光與入射光的傳播方向總是不同的B.發(fā)生折射是因?yàn)楣庠诓煌橘|(zhì)中的傳播速度不同C.根據(jù)n=

可知,介質(zhì)的折射率與入射角的正弦成正比D.介質(zhì)的折射率總是大于1【解析】選B、D.發(fā)生折射現(xiàn)象是由于光在不同介質(zhì)中傳播速度不同,當(dāng)光線垂直入射到介質(zhì)分界面上時(shí),折射光與入射光方向相同,故A不符合題意,B符合題意;折射率由介質(zhì)決定,與入射角無(wú)關(guān),C不符合題意;介質(zhì)折射率n=,又光在介質(zhì)中的速度小于光在空氣(真空)中的速度,所以介質(zhì)折射率總大于1,D符合題意.2.(多選)如圖所示,實(shí)線為空氣和水的分界面,一束綠光從水中的A點(diǎn)沿AO1方向(O1點(diǎn)在分界面上,圖中O1點(diǎn)和入射光線都未畫(huà)出)射向空氣中,折射后通過(guò)空氣中的B點(diǎn)(圖中折射光線也未畫(huà)出).圖中O點(diǎn)為A、B連線與分界面的交點(diǎn).下列說(shuō)法正確的是 (

)A.O1點(diǎn)在O點(diǎn)的左側(cè)B.綠光從水中射入空氣中時(shí),速度變小C.若綠光沿AO方向射向空氣中,則折射光線有可能通過(guò)B點(diǎn)正下方的C點(diǎn)D.若沿AO1方向射向空氣中的是一束紫光,則折射光線也有可能通過(guò)B點(diǎn)【解析】選A、C.當(dāng)光由水中射入空氣中時(shí)入射角小于折射角,畫(huà)出大致光路圖如圖所示,可見(jiàn)O1點(diǎn)在O點(diǎn)的左側(cè),故A正確.光在真空中速度最大,當(dāng)綠光從水中射入空氣中時(shí),速度變大,故B錯(cuò)誤.若綠光沿AO方向射向空氣中,則入射角變大,折射角也變大,折射光線有可能通過(guò)B點(diǎn)正下方的C點(diǎn),選項(xiàng)C正確;若沿AO1方向射向空氣中的是一束紫光,因紫光的折射率大于綠光,可知折