2017年高中物理第4章光的波动性4.4光的折射学案沪科版选修
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MATCH_
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_1714180441134_0.2.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(
sin i(2)
公式
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:,n. sin r
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
c光在这种介质中的传播速度v之比，即n,. v
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，
1
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、且>，用惠更斯作图法作出当波面vvvvAB到1212
达介面C时，介质?中从A点发出的子波所在的包络面CD，由作图可知BC,vΔt，AD,vΔt，12
BCADiBCvsin 1由几何关系知sin i,，sin r,，所以,,. sin rvACACAD2
[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
sin i射角的正弦与折射角的正弦成正比，即,n. sin r
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
sin i(1)定义式:n,. sin r
c(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v
于”)
(3)理解:?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(
?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
2
(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
sin ic解析 由公式n,，可得折射率n
v，A正abababsin rn
确，B错误(
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
sin i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sin r出玻璃的折射率(
3
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PP12
5(从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P、P的像，调整视线方向直到P的像挡住P1221的像(再在bb′一侧插上大头针P、P，使P能挡住P、P的像，P能挡住P、P的像及34312412本身((、方向入射一束激光，从另一边射出来的激光束P若有激光笔，可用激光笔沿PP312
上插上两枚大头针P、P)( 34
6(移去玻璃砖，在拔掉P、P、P、P的同时分别记下它们的位置，过P、P作直线O′B123434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
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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(
sin i9(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sin r
sin i的的平均值，这就是这块玻璃砖的折射率( sin r
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P与P、P与P的间距要适当地大些，以减小确定光线方向时出现的误差( 1234
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P、P的像( 12
4
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P和P，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P的像被P的像挡住，接着在1212眼睛所在的一侧插两枚大头针、，使挡住、的像，挡住和、的像，在纸PPPPPPPPP343124312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P、P的入射光线，交AC面于O，画出通过P、P的1234出射光线交在三棱镜中的折射光线( AB面于O′，连接OO′，则光线OO′就是入射光线PP12
(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)(
sin iEFGHEF/OEEF?OG(3)n,(或因为sin i,，sin r,，则n,,)( sin r/OG?GHOEOGGHOE
答案 见解析
1(关于光的折射现象，下列说法中正确的是( )
5
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
cA错，B对;根据v,，折射率大的，在介质中的速度小，故C对，D错( n
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
6
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
sin i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sin r
c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，v
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，
7
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n
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