高中物理第4章光的波动性44光的折射学案沪科版选修34.docx
- 文档编号:8575906
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:152.87KB
高中物理第4章光的波动性44光的折射学案沪科版选修34.docx
《高中物理第4章光的波动性44光的折射学案沪科版选修34.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高中物理第4章光的波动性44光的折射学案沪科版选修34.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
高中物理第4章光的波动性44光的折射学案沪科版选修34
4 光的折射
[学习目标定位] 1.理解光的折射定律,会用折射定律解释相关现象和计算有关问题.2.理解折射率的定义及其与光速的关系.3.了解折射中的色散,认识对同一介质、不同颜色的光折射率不同.4.会测定玻璃的折射率.
1.惠更斯原理:
介质中波前上的各点,都可以看作是一个新的波源(子波源),并发出子波;其后,这些子波的包络面就是新的波面.
2.光的折射定律
(1)内容:
当光从一种介质进入另一种介质时,在界面上光的传播方向发生了明显的改变,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两侧,入射角的正弦跟折射角的正弦成正比,这就是光的折射定律.
(2)公式:
=n.
3.折射率反映介质使光偏折的性质.某种介质的折射率,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,即n=
.
4.同一种介质对不同频率的光发生折射时,折射率是不同的,折射率是随着光的频率的增大而增大的.
5.色散:
当一束白光以某个角度入射介质时,由于各种色光的折射角不同,各种色光就分开了,这种现象叫光的色散.
6.测定材料的折射率的原理是折射定律,用插针法描绘光路.
一、探究光的折射定律
[问题设计]
1.皎洁的月光下,在清澈的湖面上我们能通过水面看到月亮的倒影.同时,月光能够照亮水中的鱼和草,这说明光从空气射到水面时,一部分光射进水中,另一部分光返回到空气中,那么这两部分光的去向遵从什么规律呢?
答案 折射定律和反射定律
2.光的折射是因为光波在界面两侧不同介质中有不同的传播速度,你能用惠更斯原理得到折射定律吗?
答案 设光波在两种介质中的传播速度为v1、v2且v1>v2,用惠更斯作图法作出当波面AB到达介面C时,介质Ⅱ中从A点发出的子波所在的包络面CD,由作图可知BC=v1Δt,AD=v2Δt,由几何关系知sini=
,sinr=
,所以
=
=
.
[要点提炼]
1.折射定律(如图1所示)
图1
折射光线与入射光线和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
=n.
2.在折射现象中光路是可逆的,即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.
3.折射率
(1)定义式:
n=
.
(2)决定式:
n=
,由此可知,任何介质的折射率n都大于1.(填“大于”、“小于”或“等于”)
(3)理解:
①折射率n是反映介质光学性质的物理量,它的大小由介质本身及入射光的频率决定,与入射角、折射角的大小无关.
②各种介质的折射率是不同的.
例1
两束不同频率的单色光a、b从空气平行射入水中,发生了如图2所示的折射现象(α>β).下列结论中正确的是( )
图2
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 由公式n=
,可得折射率na ,na 答案 AC 二、折射中的色散 [问题设计] 拿一块破碎的玻璃,迎着阳光看去,会发现玻璃的边缘出现彩色条纹,这又是什么原因? 答案 光在折射时发生了色散. [要点提炼] 图3表示白光通过棱镜折射后,由上到下的色光顺序为: 红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,这说明: 图3 1.透明物质对于波长λ不同的光的折射率n不同,λ越小,n越大. 2.在同一种物质中,不同波长的光波的传播速度不同,波长越短,波速越慢. 三、测定玻璃的折射率 实验原理 如图4所示,当光线AO以一定入射角i穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B,从而画出折射光线OO′,量出折射角r,再根据n= 算出玻璃的折射率. 图4 实验器材 一块长方形的玻璃砖、白纸、木板、大头针(4枚)、量角器(或圆规、三角板)、刻度尺、激光笔、铅笔等. 实验步骤 1.把白纸铺在木板上. 2.在白纸上画一直线aa′作为界面,过aa′上的一点O画出界面的法线NN′,并画一条线段AO作为入射光线. 3.把长方形玻璃砖放在白纸上,并使其长边与aa′重合,再用直尺画出玻璃的另一边bb′. 4.在直线AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2. 5.从玻璃砖bb′一侧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bb′一侧插上大头针P3、P4,使P3能挡住P1、P2的像,P4能挡住P1、P2的像及P3本身.(若有激光笔,可用激光笔沿P1、P2方向入射一束激光,从另一边射出来的激光束上插上两枚大头针P3、P4). 6.移去玻璃砖,在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置,过P3、P4作直线O′B交bb′于O′.连接O、O′,OO′就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线.∠AON为入射角,∠O′ON′为折射角. 7.用量角器量出∠AON和∠O′ON′的度数.查出它们的正弦值,并把这些数据填入记录表格里. 8.用上述方法分别求出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角,查出入射角i和折射角r的正弦值,记录在表格里. 9.算出不同入射角的 的值,比较一下,看它们是否接近一个常数.求出几次实验测得的 的平均值,这就是这块玻璃砖的折射率. 注意事项 1.轻拿轻放玻璃砖,手只能接触玻璃砖的毛面或棱,不能触摸光洁的光学面.严禁把玻璃砖当直尺用. 2.实验过程中,玻璃砖在纸面上的位置不可移动. 3.插针P1与P2、P3与P4的间距要适当地大些,以减小确定光线方向时出现的误差. 4.实验时入射角不能太小(接近零度),否则会使测量误差加大;也不能太大(接近90°),否则会不易观察到P1、P2的像. 5.本实验中如果采用的不是两面平行的玻璃砖,而是采用三棱镜、半圆形玻璃砖等,一样能测出折射率,只是出射光和入射光不再平行. 例2 用三棱镜做测定玻璃的折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插入两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3和P1、P2的像,在纸上标出的大头针的位置和三棱镜轮廓如图5所示. 图5 (1)在本题的图上画出所需的光路图. (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)光路图如图所示,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′,连接OO′,则光线OO′就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线. (2)在所画的图上注明入射角i和折射角r,并画出虚线部分,用量角器量出i和r(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度). (3)n= (或因为sini= ,sinr= ,则n= = ). 答案 见解析 1.关于光的折射现象,下列说法中正确的是( ) A.光的传播方向发生改变的现象 B.人在岸上观察水中的鱼比实际位置浅 C.若光从空气射入某种液体中,它的速率一定减小 D.观察者看见太阳刚从地平线升起时,其实太阳位于地平线以下 答案 BCD 2.表面有油膜的透明玻璃片,当有阳光照射时,可在玻璃片表面和边缘分别看到彩色图样,这两种现象( ) A.都是色散现象 B.前者是干涉现象,后者是色散现象 C.都是干涉现象 D.前者是色散现象,后者是干涉现象 答案 B 解析 光在玻璃片表面的油膜上发生了薄膜干涉,光在玻璃片边缘发生了折射,不同颜色的光在玻璃中的折射率不同,发生了色散.故选项B正确. 3.如图6所示,两束单色光a、b分别照射到玻璃三棱镜AC面上,穿过三棱镜后互相平行,则( ) 图6 A.a光的折射率大 B.b光的折射率大 C.a光在三棱镜中的速度大 D.b光在三棱镜中的速度大 答案 BC 解析 根据题意可知b光通过三棱镜后,传播方向偏离原来方向大,所以b光折射率大,故A错,B对;根据v= ,折射率大的,在介质中的速度小,故C对,D错. 4.在用两面平行的玻璃砖测定玻璃的折射率的实验中,其实验光路如图7所示,对实验中的一些具体问题,下列说法正确的是( ) 图7 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 答案 ABD 解析 实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且A与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,入射角应适当大一些,以减小测量角度的误差,但也不宜太大. [基础题] 1.关于光的折射现象,下列说法正确的是( ) A.光的传播方向发生改变的现象叫光的折射 B.折射定律是托勒密发现的 C.人观察盛水容器的底部,发现水变浅了 D.若光从空气射入液体中,它的传播速度一定增大 答案 C 2.若某一介质的折射率较大,那么( ) A.光由空气射入该介质时折射角较大 B.光由空气射入该介质时折射角较小 C.光在该介质中的速度较大 D.光在该介质中的速度较小 答案 D 解析 由n= 可知,光由空气射入介质时的折射角是由折射率n和入射角i共同决定的,所以A、B均错.由n= 可知,介质的折射率越大,光在该介质中的速度越小,故C错,D正确. 3.如果光以同一入射角从真空射入不同介质,则折射率越大的介质( ) A.折射角越大,表示这种介质对光线的偏折程度越大 B.折射角越大,表示这种介质对光线的偏折程度越小 C.折射角越小,表示这种介质对光线的偏折程度越大 D.折射角越小,表示这种介质对光线的偏折程度越小 答案 C 解析 由折射定律可知,在入射角相同的情况下,折射角越小,表示这种介质的折射率越大,介质对光线的偏折程度越大. 4.如图1所示为地球及其大气层,高空有侦察卫星A接收到地球表面P处发出的光信号,则A感知到的发光物应在( ) 图1 A.图中P点 B.图中P点靠M的一侧 C.图中P点靠N的一侧 D.以上位置都有可能 答案 B 5.如图2所示,P、Q是两种透明材料制成的两块直角梯形的棱镜,叠合在一起组成一个长方体.某单色光沿与P的上表面成θ角的方向斜射向P,其折射光线正好垂直通过两棱镜的界面.已知材料的折射率nP 图2 A.一定没有光线从Q的下表面射出 B.从Q的下表面射出的光线一定与入射到P的上表面的光线平行 C.如果光线从Q的下表面射出,出射光线与下表面所夹的锐角一定大于θ D.如果光线从Q的下表面射出,出射光线与下表面所夹的锐角一定小于θ 答案 D 解析 作出光路图,如图所示.由题意可知,光线垂直射入Q,根据折射定律有: nP= ,nQ= ;因为nP 6.如图3所示,一束白光通过玻璃棱镜发生色散现象,下列说法正确的是( ) 图3 A.红光的偏折最大,紫光的偏折最小 B.红光的偏折最小,紫光的偏折最大 C.玻璃对红光的折射率比紫光大 D.玻璃中紫光的传播速度比红光大 答案 B 解析 由光的色散知识可知,红光的偏折最小,紫光的偏折最大,玻璃对红光的折射率比紫光小,玻璃中紫光的传播速度比红光小. [能力题] 7.如图4所示,把由同种材料(玻璃)制成的厚度为d的立方体A和半径为d的半球体B分别放在报纸上,从正上方(对B来说是最高点)竖直向下分别观察A、B中心处报纸上的字,下面的说法正确的是( ) 图4 A.看到A中的字比B中的字高 B.看到B中的字比A中的字高 C.看到A、B中的字一样高 D.A中的字比没有玻璃时的高,B中的字和没有玻璃时的一样 答案 AD 解析 如图所示,放在B中的字反射的光线经半球体向外传播时,传播方向不变,故人看到字的位置是字的真实位置.而放在A中的字经折射,人看到的位置比真实位置要高. 8.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′画好后误用了另一块宽度稍窄的玻璃砖,如图5所示.实验中除仍用原界线外,其余操作都正确,则测得的玻璃砖的折射率将( ) 图5 A.偏大B.偏小 C.不影响结果D.不能确定 答案 B 解析 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. 9.某同学由于没有量角器,他在完成了光路图后,以O点为圆心,10cm为半径画圆,分别交线段OA于A点,交线段OO′的延长线于C点,过A点作法线NN′的垂线AB交NN′于B点,过C点作法线NN′的垂线CD交NN′于D点,如图6所示.用刻度尺量得OB=8cm,CD=4cm,由此可得出玻璃的折射率n=________. 图6 答案 1.5 解析 由题图可知sin∠AOB= ,sin∠DOC= ,OA=OC=R,根据n= 知,n= = = =1.5. 10.如图7所示,半圆玻璃砖的半径R=10cm,折射率为n= ,直径AB与屏幕MN垂直并接触于A点.激光a以入射角i=30°射向半圆玻璃砖的圆心O,结果在水平屏幕MN上出现两个光斑.求两个光斑之间的距离L. 图7 答案 23.1cm 解析 画出如图所示的光路图,设折射角为r,根据折射定律 n= 解得r=60° 由几何知识得,△OPQ为直角三角形,所以两个光斑P、Q之间的距离L=PA+AQ=Rtan30°+Rtan60° 解得L= cm≈23.1cm 11.一半径为R的1/4球体放置在水平桌面上,球体由折射率为 的透明材料制成.现有一束垂直于过球心O的竖直平面内的光线,平行于桌面射到球体表面上,折射入球体后再从竖直表面射出,如图8所示.已知入射光线与桌面的距离为 R/2.求出射角θ. 图8 答案 60° 解析 设入射光线与1/4球体的交点为C,连接OC,OC即为入射点的法线.因此,图中的角α为入射角.过C点作球体水平表面的垂线,垂足为B.依题意,∠COB=α.又由△OBC知sinα= = = ,α=60°.设光线在C点的折射角为β,由折射定律得 = ,联立以上两式得β=30°.由几何关系知,光线在球体的竖直表面上的入射角γ(如图)为30°. 由折射定律得 = ,因此sinθ= ,θ=60°. [探究与拓展题] 12.(2014·新课标Ⅱ·34 (2))一厚度为h的大平板玻璃水平放置,其下表面贴有一半径为r的圆形发光面.在玻璃板上表面放置一半径为R的圆纸片,圆纸片与圆形发光面的中心在同一竖直线上.已知圆纸片恰好能完全遮挡住从圆形发光面发出的光线(不考虑反射),求平板玻璃的折射率. 答案 解析 如图, 考虑从圆形发光面边缘的A点发出的一条光线,假设它斜射到玻璃上表面的A′点折射,根据折射定律有 nsinθ=sinα 式中,n是玻璃的折射率,θ是入射角,α是折射角. 现假设A′恰好在纸片边缘: 由题意,在A′点刚好发生全反射,故sinθ=sinC= 设AA′线段在玻璃上表面的投影长为L,由几何关系有 sinθ= 由题意,纸片的半径应为R=L+r 联立以上各式得n=
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高中物理 波动性 44 折射 学案沪科版 选修 34