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1、第十三章 光 1 光的反射和折射,【自主预习】 1.光的反射和反射定律: (1)反射现象:光从第1种介质射到它与第2种介质的分 界面时,一部分光会_到第1种介质的现象。,返回,(2)反射定律:反射光线与入射光线、 法线处在_平面内,反射光线与入射 光线分别位于法线的_;反射角_ 入射角。如图所示。,同一,两侧,等于,2.光的折射和折射定律: (1)折射现象:光从第1种介质射到它与第2种介质的分 界面时,一部分光会_第2种介质的现象。,进入,(2)折射定律:折射光线与入射光线、法线处在_平 面内,折射光线与入射光线分别位于法线的_;入射 角的正弦与折射角的正弦成_,即_=n12。 如图所示。,同

2、一,两侧,正比,3.光路的可逆性: 在光的反射现象和折射现象中,光路都是_的。 4.折射率: (1)定义:光从_中射入某种介质发生折射时,入射 角的_与折射角的_之比,叫作这种介质的绝对 折射率,简称折射率,用符号n表示。 (2)定义式:n=_。,可逆,真空,正弦,正弦,(3)物理意义:反映介质_的物理量,不同的介 质有不同的折射率。 (4)折射率与光速的关系:光在不同介质中的_ 不同,且都_光在真空中的传播速度;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=_。,光学性质,传播速度,小于,【预习小测】 1.如图所示,国家游泳中心“水立方”的透明薄膜“外

3、衣”上点缀了无数白色亮点,他们被称为镀点,北京奥运会举行时正值盛夏,镀点能改变光线方向,将光线挡在场馆外,镀点对外界阳光的主要作用是 ( ),A.反射太阳光线,遵循光的反射定律 B.反射太阳光线,不遵循光的反射定律 C.折射太阳光线,遵循光的折射定律 D.折射太阳光线,不遵循光的折射定律 【解析】选A。“将光挡在场馆外”,光线没有进入第2种介质,所以是光的反射现象,遵循光的反射定律,选项A正确。,2.如图所示,落山的太阳看上去正好在地平线上,但实际上太阳已处于地平线以下,观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况。造成这种现象的原因是( ) A.光的反射 B.光的折射 C.光的直线传播 D.小孔

4、成像,【解析】选B。大气层由于疏密程度不同,对光的折射率不同,太阳光进入大气层发生折射,使传播方向改变,属于光的折射,B项正确。,3.一束光线从空气射向折射率为1.5的玻璃内,入射角为45,下面光路图中正确的是 ( ),【解析】选C。光从空气射向玻璃,同时发生反射和折 射现象,A项错误;根据折射定律n= 得21,故 B、D错误,C项正确。,主题一 反射定律和折射定律 【互动探究】 如图甲、乙所示是一狭窄光束射到玻璃面上时发生折射和反射的情景,结合情景讨论下列问题。,(1)反射光线、折射光线、入射光线和法线的位置关系如何? 提示:反射光线、折射光线、入射光线和法线在同一平面内,反射光线、折射光线

5、和入射光线分居法线两侧。,(2)如图乙所示,如果转动入射光线,测得光由空气射入玻璃时入射角1与折射角2的数值表,分析表格数据,思考折射角与入射角有什么定量关系?,提示:由表格数据可知,在误差允许的范围内,入射角正 弦与折射角正弦比值相等,即 =n12。,(3)在光的反射和折射中如果逆着反射光线或折射光线的方向射入,出射光线会沿什么方向? 提示:出射光线会沿原入射光线的方向射出,因为在光的反射和折射中光路是可逆的。,(4)当光线垂直入射时,入射角为0,折射角为_,此 时_(选填“符合”或“不符合”)折射定律。,0,符合,【探究总结】 1.反射与折射现象中的“一点”“二线”“三面”: (1)一点:

6、反射时,反射角等于入射角;折射时,入射角正弦与折射角的正弦比为一常数,均为一一对应关系。 (2)二线:反射光线与入射光线,或折射光线与入射光线,分别位于法线的两侧。,(3)三面:三线共面,反射光线、入射光线、法线位于同一平面内,或折射光线、入射光线、法线位于同一平面内。 2.折射光路的特点:折射光的光路是可逆的,如果让光线逆着原来的折射光线射到界面上,光线就会逆着原来的入射光线发生折射。,【典例示范】 光线以60的入射角从空气射入玻璃中,折射光线与反射光线恰好垂直(真空中的光速c=3.0108m/s)。 (1)画出光路图。 (2)求出玻璃的折射率和光在玻璃中的传播速度。 (3)当入射角增大或减

7、小时,玻璃的折射率是否变化?说明理由。,【解题指南】解答本题时应注意以下两点: (1)根据题意画出正确的光路图。 (2)确定入射角和折射角。,【解析】(1)由题意知入射角1=60,反射角3=60,折射角2=90-60=30,光路图如图所示。,(2) 根据 m/s=1.7108m/s。 (3)当入射角变化时,比值 保持不变,即玻璃的折 射率并不改变,折射率由介质和入射光的频率决定,而 跟入射角的大小无关。 答案:(1)见解析 (2) 1.7108m/s (3)见解析,【探究训练】 1.(多选)图中虚线表示两种介质的界面及其法线,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

8、( ) A.aO是入射光线 B.bO是入射光线 C.bO是反射光线 D.cO是折射光线,【解析】选B、D。根据反射定律知,入射光线与反射光线相对于法线对称。由题图可知只有aO和bO关于MN对称,所以aO和bO一定是入射或反射光线,再根据折射定律,入射光线与折射光线分居在法线两侧,综合以上可知,bO是入射光线,aO是反射光线,cO是折射光线。,2.(2018济南高二检测)一个人站在水面平静湖边,观察离岸一段距离的水下的一条鱼,这个人看到的鱼的位置和鱼在水下真实的位置相比较,下列说法中正确的是 ( ) A.在鱼真实位置的正上方某处 B.在鱼真实位置上方偏向观察者的某处 C.在鱼真实位置下方偏向观察

9、者的某处 D.所给条件不足,无法确定观察到的鱼的位置,【解析】选B。如图所示,人在岸上看离岸 一段距离的水下的鱼,应是从鱼的位置发 出的光(实际上是鱼的反射光),经折射后 射入人的眼睛,看到的是鱼的像。把鱼看 作一个发光点S,人看到的是折射光线的反向延长线交于发光点S的右上方S点,这说明人看到的是鱼的虚像,且位置是偏向右上方,所以选项B正确。,【补偿训练】 1.如图所示,井口大小和深度相同的两口井,一口是枯井,一口是水井(水面在井口之下),两井底部各有一只青蛙,则 ( ),A.水井中的青蛙觉得井口大些,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星 B.枯井中的青蛙觉得井口大些,晴天的夜晚,水井中的

10、青蛙能看到更多的星星 C.水井中的青蛙觉得井口小些,晴天的夜晚,枯井中的青蛙能看到更多的星星 D.两只青蛙觉得井口一样大,晴天的夜晚,水井中的青蛙能看到更多的星星,【解析】选B。这是一道典型的视野问题,解决视野问题的关键是确定边界光线,是谁约束了视野等。如本题中由于井口边沿的约束而不能看到更大的范围,据此作出边界光线。如图所示。水井中的青蛙相当于枯井中离开井底一定高度的青蛙,看向井口和天空,所以水井中的青蛙可看到更多的星星,故选项B正确,A、C、D错误。,2.一束光从空气射向折射率为 的某种介质,若反射 光线与折射光线垂直,则入射角为 。真空中的 光速为c,则光在该介质中的传播速度为 。,【解

11、析】光路图如图所示。根据折射定律:n= 及i+r=90,得tani= ,i=60,根据 答案:60,【通法悟道】应用折射定律和反射定律解题的技巧 (1)画出正确的光路图,确定入射角和折射角是解题的前提和关键。 (2)从光路图上找准入射角和折射角,应用n= 列式求解,是顺利解题的基础。 (3)入射角、折射角、反射角均以法线为标准来确定,注意法线与界面的区别。,主题二 对折射率的理解 【互动探究】 1.介质的折射率n= ,能否说入射角1增大,折射 率也增大? 提示:不能。同一种介质的折射率不变,不随入射角变 化。,2.折射率跟哪些因素有关?反映了介质的什么性质? 提示:折射率的大小由介质本身决定,

12、与入射角、折射角的大小无关。在入射角1不变的情况下,介质折射率越大,折射角2就越小,光线偏折的程度就越大。可见,折射率的大小反映了介质对光线的偏折能力的强弱,折射率是反映介质光学性质的物理量。,3.光由其他介质射入空气时,n= 是否还适用?如果 适用,1、2分别应是什么角? 提示:适用。1应为折射角,2应为入射角。即计算某 种介质的折射率时,公式中1为空气中的光线与法线 的夹角,2为介质中的光线与法线的夹角。,4.任何介质的折射率都大于1吗? 提示:光在真空中的传播速度为c,而在其他介质中,光 的传播速度vc,介质的折射率n= ,即n大于1。 5.光在折射率大的介质中传播速度越大还是越小? 提

13、示:由v= 知,n越大,v越小。,【探究总结】 对折射率的理解 (1)物理意义:折射率是描述介质对光线偏折能力大小 的物理量,由n= 可知,当1一定时,n越大,2越 小,此时光线的偏折角=1-2就越大,即n越大,光 线的偏折角度就越大。,(2)决定因素:折射率的大小与介质本身有关,与入射角、折射角的大小无关,“折射率与入射角的正弦成正比”的说法和“折射率与折射角的正弦成反比”的说法都是错误的。,(3)大小特点:介质的折射率跟光在其中的传播速度的 关系是:n= ,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。光从真空斜射向任何其他介质时,入射角都

14、大 于折射角。,【典例示范】 人造树脂是常用的眼镜镜片材料。如图所示,光线射在一人造树脂立方体上,经折射后,射在桌面上的P点。已知光线的入射角为30,OA=5 cm, AB=20 cm,BP=12 cm,求该人造树脂材料的折射率n。,【解题指南】解答本题,应注意以下两点: (1)根据光路图,确定入射角和折射角。 (2)利用几何方法,确定入射角和折射角的正弦。,【解析】设折射角为2 由几何关系知sin2= 且OP= 代入数据解得sin2= 由折射率公式n= 得 n= =1.5 答案:1.5,【探究训练】 1.(多选)(2018西安高二检测)关于折射率,下列说法 中正确的是( ) A.根据n= 可

15、知,介质的折射率与入射角的正弦成 正比 B.根据n= 可知,介质的折射率可能为任何正数,C.根据n= 可知,介质的折射率等于光在真空中的传播 速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比 D.折射率的大小与介质本身有关,与入射角、折射角的 大小无关,【解析】选C、D。某种介质的折射率只与介质本身有关,与角度无关,A错误,D正确。介质的折射率都大于1,B不正确。由n= 可知,C选项正确。故选C、D。,2.(多选)一束复色光由空气射向玻璃,发生折射而分为a、b两束单色光,其传播方向如图所示。设玻璃对a、b的折射率分别为na和nb,a、b在玻璃中的传播速度分别为va和vb,则 ( ) A.nanb B.n

16、avb D.vavb,【解析】选A、D。由题图可知折射角ranb;由 知vavb,所以A、D正确。,【补偿训练】 1.(多选)两束不同颜色的单色光a、b从空气平行射入水中,发生了如图所示的折射现象()。下列结论中正确的是 ( ),A.在水中的传播速度,光束a比光束b大 B.在水中的传播速度,光束a比光束b小 C.水对光束a的折射率比水对光束b的折射率小 D.水对光束a的折射率比水对光束b的折射率大,【解析】选A、C。由公式n= ,可得折射率navb,A正确,B错误。,2.在折射现象中,下列说法正确的是 ( ) A.折射角一定小于入射角 B.折射率跟折射角的正弦值成反比 C.折射角增大为原来的2

17、倍,入射角也增大为原来的2倍 D.折射率大的介质,光在其中传播速度小,【解析】选D。折射角可能小于入射角,也可能大于入 射角。例如,光从水中射入空气时,折射角就大于入射 角,故A错;某种介质的折射率对特定的光是一定的,不 随折射角的正弦值的变化而变化,故B错;入射角的正弦 与折射角的正弦成正比,而不是入射角与折射角成正比, 故C错;由n= 知,D正确。,【通法悟道】有关折射定律的求解技巧 (1)根据题意画出正确的光路图。(2)利用几何关系确定光路中的边、角关系,要注意入射角、折射角的确定。(3)注意光路可逆性、对称性的应用。(4)利用折射定律规范求解。,主题三 实验:测定玻璃的折射率 【互动探

18、究】 为了测定玻璃砖的折射率,将白纸用图钉钉在平木板上,如图所示。,1.本实验的目的是什么? 提示:测定玻璃的折射率。 2.如何确定入射光线的方向? 提示:在白纸上画出一条直线aa作为界面(线),过aa上一点O画出界面的法线NN,并画一条线段AO作为入射光线。,3.如何确定出射光线的方向? 提示:(1)把长方形玻璃砖放在白纸上,使它的长边跟aa对齐,画出玻璃砖的另一边bb。,(2)在线AO上竖直插入两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线方向直到P2的像挡住P1的像,再在观察者一侧竖直插入两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3及P1、P2的像,记

19、下P3、P4的位置。,(3)移去大头针和玻璃砖,过P3、P4所在处作线OB与bb交于O,线OB就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。,4.如何确定入射角和折射角? 提示:连接OO,入射角1=AON,折射角2= OON。,5.用量角器量出入射角和折射角,从三角函数表中查出它们的正弦值,把这些数据记录在表格中。,6.实验中数据的处理方法有哪些? 提示:(1)计算法:把上述实验数据分别由n= 计算 出n1、n2、n3,求出平均值即为玻璃砖折射率的测量 值。,(2)图象法:因sin2= sin1,所以可 把上面的数据以sin1值为横坐标、以 sin2值为纵坐标,建立直角坐标系,如 图所示

20、。描数据点,过数据点连线作一条过原点的直 线。求解图线斜率,设斜率为k,则k= ,故玻璃砖折射 率n= 。,7.用以上两种方法来求玻璃的折射率测量误差较大,又有比较繁琐的计算,有没有比较简便的方法来计算玻璃的折射率呢? 提示:可以有如下两种方法:,(1)单位圆法:以O为圆心,单位长为半径,用圆规作单位圆交AO的延长线于C,用三角板过点C作aa的垂线交OB于D。如图所示,则OD长度就是玻璃的折射率的数值。,实验结果分析 因为 又 所以,(2)尺规法:经过入射点画出玻璃界面的 法线NN,以入射点O为圆心,适当长度 为半径画圆,入射光线、折射光线与圆 周交于A和B,由点A、B向法线作垂线,分 别交法

21、线NN于A、B点,如图所示。测出垂线的长 度AA和BB。则玻璃的折射率可表示为,【探究总结】 1.实验步骤: (1)将白纸用图钉按在绘图板上,先在白纸上画出一条直线aa作为界面,过aa上的一点O画出界面的法线NN,并画出一条线段AO作为入射光线。,(2)把平行玻璃砖平放在白纸上,使它的长边跟aa对齐,画出玻璃砖的另一条长边bb。 (3)在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线的方向,直到P1的像被P2挡住。再在观察的这一侧依次插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P1、P2的像及P3,记下P3、P4的位置。,(4)移去玻璃砖,

22、连接P3、P4并延长交bb于O,连接OO即为折射光线,入射角1=AON,折射角2= OON。 (5)用量角器测出入射角和折射角,查出它们的正弦值,将数据填入表格中。 (6)改变入射角1,重复实验步骤。,2.实验数据处理方法: (1)计算法:由公式n= 计算。 (2)图象法:分别以sin1、sin2为坐标轴,作出图象,根据图象斜率求折射率。,【典例示范】 某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率,所用的玻璃砖两面平行.正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图所示。,(1)此玻璃的折射率计算式为n= (用图中的1、2表示)。 (2)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择,为了减小误差,应选用宽

23、度 (填“大”或“小”)的玻璃砖来测量。,【解题指南】(1)用插针法确定光路,找出与入射光线相应的出射光线,就能在玻璃砖中画出对应的折射光线。 (2)测出一组对应的入射角和折射角,根据折射定律便可求出玻璃的折射率。,【解析】n= 由实验的注意事 项可知应选用宽度大的玻璃砖来测量,以减小实验误 差。 答案:(1) (2)大,【探究训练】 1.(多选)在用两面平行的玻璃砖测定玻璃折射率的实验中,其实验光路如图所示,对实验中的一些具体问题,下列说法中正确的是 ( ),A.为了减少作图误差,C和D的距离应适当取大一些 B.为了减少测量误差,A、B连线与法线NN的夹角应适当大一些 C.若A、B的距离较大

24、时,通过玻璃砖会看不到A、B的像 D.若A、B连线与法线NN间夹角过大时,有可能在bb一侧看不清A、B的像,【解析】选A、B、D。实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且A和B之间,B与O之间,C与D之间,C与O之间距离要稍大一些,入射角1应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角不宜太大,也不宜太小,A、B正确;若A、B的距离较大或入射角较大时,通过玻璃砖仍会看到A、B的像,只是看不清楚,C错误,D正确。,2.学校开展研究性学习,某研究性学习小组的同学根据 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。在一个圆形木盘上过其圆心O作两条相互垂 直的直径BC、EF,在半径OA上垂直

25、圆盘面插下两枚大头 针P1、P2并保持P1、P2的位置不变,每次测量时,让圆盘 的BFC部分竖直浸入液体中,而且总使得液面与直径BC 相平,EF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。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。则:,(1)若AOF=30,OP3与OC的夹角为30,则P3处所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 。,【解析】(1)此时OP3与OE

26、之间的夹角为入射角,i=60, r=30,则 (2)P4对应的入射角大,折射角相同,所以对应的折射率大。 (3)当在K位置时,入射角与折射角相等,所以折射率等于1。 答案:(1) (2)P4 (3)1,【补偿训练】 1.某同学做测定玻璃的折射率的实验,操作时将玻璃砖的界线aa、bb画好后误用另一块宽度稍窄的玻璃砖,如图所示。实验中除仍用原界线外,其余操作都正确,则测得的玻璃的折射率将 ( ) A.偏大 B.偏小 C.不影响结果 D.不能确定,【解析】选B。如图所示,由于所画玻璃砖的宽度比实际宽度大,使入射点向左移,折射点向右移,使得所画折射角比实际折射角大,故测得的折射率偏小。,2.用三棱镜做

27、测定玻璃折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2挡住。接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4,使从另一侧隔着棱镜观察时,大头针P4、P3和P1、P2的像恰好在一条直线上。画出大头针位置和三棱镜轮廓,如图所示。,(1)在图上画出所需的光路。 (2)为了测出棱镜玻璃的折射率,需要测量的量是,在图上标出它们。 (3)计算折射率的公式是n= 。,【解析】(1)如图所示,画出通过P1、P2的入射光线交AC面于O,画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O,则光线OO就为入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线。,(2)在所画的图上,标明入射角1和折射角2,并画出虚线部分。用量角器测量出1和2或用刻度尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度。 (3)因为 则 答案:见解析,【通法悟道】测定折射率时的注意事项 (1)入射角一般取1575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)。,【课堂小结】,