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131光的反射和折射
第1节 光的反射和折射
学习目标:
1.知道光的反射定律,理解光的折射定律,并能用来解释和计算有关问题.2.知道折射率的定义以及与光速的关系,并能用来计算有关问题.3.掌握插针法测折射率的方法.
一、反射定律和折射定律
[课本导读]
预习教材第44页~第45页“反射定律和折射定律”部分,请同学们关注以下问题:
1.什么是光的反射?
满足什么规律?
2.什么是光的折射?
满足什么规律?
[知识识记]
1.光的反射和折射:
光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时,一部分光会返回到第1种介质,这种现象叫光的反射,另一部分光会进入第2种介质,这个现象叫做光的折射.
2.反射定律:
反射光线与入射光线、法线处在同一平面内,反射光线与入射光线分别位于法线的两侧;反射角等于入射角.
3.折射定律:
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
=n12.在光的折射现象中,光路也是可逆的.
二、折射率
[课本导读]
预习教材第45页“折射率”部分,请同学们关注以下问题:
1.什么是折射率?
意义是怎样的?
2.折射率与什么因素有关?
[知识识记]
1.折射率:
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.
2.物理意义:
是一个与介质有关的常数,反映介质的光学性质.
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=
.任何介质的折射率n都大于1.
1.反射定律是确定反射光线位置的规律.( )
[答案] √
2.发生漫反射时,反射角不等于入射角.( )
[答案] ×
3.一束光从空气进入水中时传播方向一定改变.( )
[答案] ×
4.光发生折射时,一定伴随着反射现象.( )
[答案] √
5.光发生反射时,一定伴随着折射现象.( )
[答案] ×
6.密度大的介质,折射率一定大.( )
[答案] ×
要点一 对光的折射现象的理解——概念理解型
[合作探究]
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什么?
提示:
是由于光的折射现象造成的.
[知识精要]
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,但并非一定要变化,当光垂直界面入射时,光的传播方向就不变化.
2.光的速度:
光从一种介质进入另一种介质时,速度一定变化,当光垂直界面入射时,光的传播方向虽然不变,但也属于折射现象,因为光传播的速度发生了变化.
3.入射角与折射角的大小关系:
光从一种介质进入另一种介质发生折射时,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关系而定.光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质,入射角大于折射角,反之,入射角小于折射角.
4.在光的折射现象中,光路具有可逆性.
[题组训练]
1.(光的折射现象的理解)关于光的反射与折射现象,下列说法不正确的是( )
A.光发生反射时,光的传播方向一定改变
B.光发生反射时,光的传播方向可能偏转90°
C.光发生折射时,一定伴随着反射
D.光发生折射时,光的传播方向可能偏转90°
[解析] 由光的反射定律可知,反射角等于入射角,不管入射角多大,光发生反射时,光的传播方向都要改变,选项A正确;光发生反射时,当入射角等于45°时,光的传播方向偏转90°,选项B正确;光从一种介质射到两种介质的分界面时,一定有部分光发生反射,选项C正确;光发生折射时,光的传播方向偏转一定小于90°,选项D错误.
[答案] D
2.(光的折射现象的理解)人看到沉在水杯底的硬币,其实看到的是( )
A.硬币的实像,其位置比硬币的实际位置浅
B.硬币的实像,其位置比硬币的实际位置深
C.硬币的虚像,其位置比硬币的实际位置深
D.硬币的虚像,其位置比硬币的实际位置浅
[答案] D
要点二 对折射定律的理解——重难点突破型
[合作探究]
是否可以由折射率的定义式n=
,得出折射率与入射角的正弦成正比,与折射角的正弦成反比?
折射率由什么因素决定?
提示:
折射率采用的是比值定义的方法,不能说折射率与入射角的正弦成正比,与折射角的正弦成反比.折射率由光的性质和介质的性质共同决定.
[知识精要]
1.n=
中,注意θ1为真空中的光线与法线的夹角,不一定为入射角;θ2为介质中光线与法线的夹角,也不一定为折射角.
2.折射率与光速的关系:
光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关,即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n都大于1.
3.折射率的决定因素:
介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量,它的大小由介质本身及光的性质共同决定,不随入射角、折射角的变化而变化.
4.解决光的折射问题的基本思路
(1)根据题意画出正确的光路图.
(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系,要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线的夹角.
(3)利用折射定律n=
、折射率与光速的关系n=
列方程,结合数学三角函数的关系进行计算.
[题组训练]
1.(对折射率定义式的理解)(多选)光从某介质射入空气,入射角θ1从零开始增大到某一值的过程中,折射角θ2也随之增大,则下列说法正确的是( )
A.比值
不变
B.比值
不变
C.比值
是一个大于1的常数
D.比值
是一个小于1的常数
[解析] 因折射率不变,可知
不变,A错误,B正确;又入射角小于折射角,所以
<1,C错误,D正确.
[答案] BD
2.(折射率的计算)一束光线射到一个玻璃球上,如图所示.该玻璃球的折射率是
,光线的入射角是60°.求该束光线射入玻璃球后第一次从玻璃球射出的方向.(用与入射光线的夹角表示)
[解析] 光线射入玻璃球后第一次从玻璃球射出的光路如图所示.由折射定律得
=n,
=
,r1=30°.
由△AOB为等腰三角形,则i2=r1=30°.故r2=i1=60°,
由几何关系知
∠1=∠2=30°,又由图知,∠3是出射光线相对于入射光线的偏折角,且∠3=∠1+∠2.联立以上各式解得∠3=60°,即第一次从玻璃球射出的光线与入射光线的夹角为60°.
[答案] 与入射光线的夹角为60°
要点三 测定玻璃的折射率——实验型
[合作探究]
如图是测定玻璃折射率的方法——插针法,请描述该方法的原理.
提示:
用插针法确定入射光线与折射光线,然后画出入射角θ1和折射角θ2,然后用n=
,计算玻璃的折射率.
[知识精要]
1.实验目的:
掌握测定玻璃折射率的方法.
2.实验原理
用插针法找出跟入射光线相对应的折射光线O′B,画出入射角θ1和折射角θ2,用量角器测入射角θ1和折射角θ2,根据折射定律计算出玻璃的折射率:
n=
.
3.实验器材
两面平行的玻璃砖、方木板、白纸、图钉(若干)、大头针四枚、直尺、量角器、铅笔.
4.操作步骤
(1)将白纸用图钉钉在平木板上.
(2)在白纸上画出一条直线aa′作为真空与玻璃的交界面,过aa′上的一点O作垂线NN′,作为界面的法线,并画一条线段AO作为入射光线,入射角θ1=∠AON,使θ1适当大些.
(3)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′.
(4)在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线方向直到P2的像挡住P1的像.再在观察者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及P1、P2的像,记下P3、P4的位置.
(5)移去大头针和玻璃砖,过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′,连接直线O′O,O′O就代表了沿AO方向入射的光线在aa′界面上的折射光线,折射角θ2=∠O′ON′.
(6)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,把这些数据记录在自己设计的表格中.
5.数据处理
方法一:
计算法.通过测量入射角和折射角,然后查数学用表,得出入射角和折射角的正弦值,再代入n=
中求多次不同入射角时n的值,然后取其平均值,即为玻璃砖的折射率.
方法二:
单位圆法.在找到入射光线和折射光线以后,以入射点O为圆心,以任意长为半径画圆,分别与AO交于C点,与OO′(或OO′的延长线)交于D点,过C、D两点分别向NN′作垂线,交NN′于C′、D′,用直尺量出CC′和DD′的长,如图甲所示.
由于sinθ1=
,sinθ2=
而CO=DO=R
则折射率n=
=
重复以上实验,求得各次折射率的计算值,然后求其平均值,即为玻璃砖折射率的测量值.
方法三:
图象法.根据折射定律可得n=
因此有sinθ2=
sinθ1
在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上,以sinθ1值为横坐标、以sinθ2值为纵坐标,建立直角坐标系,如图乙所示.描数据点,过数据点连线得一条过原点的直线.
求解图线斜率,设斜率为k,则k=
,故玻璃砖折射率n=
.
6.注意事项
(1)实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些.
(2)入射角θ1应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角不宜太大.
(3)在操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线.
(4)在实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变.
(5)玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5cm以上.若宽度太小,则测量误差较大.
7.实验误差
(1)入射光线和出射光线画得不够精确.因此,要求插大头针要竖直,两大头针间距应稍大.
(2)入射角、折射角测量不精确.为减小测角时的相对误差,入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大时,反射光较强,折射光会相对较弱.
[题组训练]
1.(玻璃折射率的测定)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.下面四个表达式中,正确地表达了折射率的关系式是( )
A.n=
B.n=
C.n=
D.n=
[解析] 折射率的计算式是n=
,只要能求出sinθ1和sinθ2,就能计算出n.如题图所示,设圆的半径为R,∠AOB为入射角,∠EOF为折射角,则sinθ1=sin∠AOB=
,sinθ2=sin∠EOF=
,n=
=
,则B项正确.
[答案] B
2.(折射率的计算)如图所示,一束单色光射入一玻璃球体,入射角为60°,已知光线在玻璃球内经一次反射后,再次折射回到空气中时与入射光线平行.此玻璃的折射率为( )
A.
B.1.5
C.
D.2
[解析] 根据题意画出光的传播光路图如图所示.作OD使其与入射光和出射光平行,由几何知识得∠AOB=60°+60°=120°,所以∠ACB=60°,得到折射角为30°,所以n=
=
,则C项正确.
[答案] C
3.(测定玻璃的折射率)在利用“插针法”测定玻璃砖折射率的实验中:
(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa′和bb′后,不小心碰了玻璃砖使它向aa′方向平移了少许,如图1所示.则他测出的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”).
(2)乙同学在画界面时,不小心将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃砖宽度大些,如图2所示,则他测得的折射率________(选填“偏大”“偏小”或“不变”).
[解析]
(1)如图1所示,甲同学利用“插针法”确定入射光线、折射光线后,测得的入射角、折射角没有受到影响,因此测得的折射率将不变.
(2)如图2所示,乙同学利用“插针法”确定入射光线、折射光线后,测得的入射角不受影响,但测得的折射角比真实的折射角大,因此测得的折射率偏小.
[答案]
(1)不变
(2)偏小
课堂归纳小结
[知识体系]
[本节小结]
1.光的折射的理解:
(1)光的方向;
(2)光的速度;(3)入射角与折射角的大小关系;(4)在光的折射现象中,光路具有可逆性.
2.对折射定律的理解(要点二题组训练1,2):
(1)n=
;
(2)n=
;(3)折射率的决定因素:
介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量,它的大小由介质本身及光的性质共同决定,不随入射角、折射角的变化而变化.
3.解决光的折射问题的基本思路
(1)根据题意画出正确的光路图.
(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系.
(3)利用折射定律n=
、折射率与光速的关系n=
列方程,结合数学三角函数的关系进行计算.
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