高一物理教案二：光的折射和全反射实验探究

高一物理教案二：光的折射和全反射实验探究光的折射和全反
射实验探究
一、实验目的
1.了解光的反射和折射的规律。

2.研究光的全反射规律。

3.掌握折射率的概念和测量方法。

二、实验设备与材料
1.直角三棱镜。

2.半球形玻璃棱镜。

3.光源（白炽灯或者激光器）。

4.细直尺。

5.快门相机或者慢速相机。

三、实验原理
1.光的反射规律
当光线从光密介质（如玻璃）射向光疏介质（如空气）时，会发生反射。

反射光在入射角和反射角之间，有一个恒定的关系，称为“反射定律”。

其中入射角、反射角以及法线，都在同一平面内，如图1所示。

反射定律的数学表达式为：
θi = θr
其中θi表示入射角，θr表示反射角。

2.光的折射规律
当光线从光疏介质射向光密介质时，会发生折射。

折射光线在入射角和折射角之间，有一个恒定的关系，称为“折射定律”。

其中入射角、折射角以及法线，同样在同一平面内，如图2所示。

折射定律的数学表达式为：
n1sinθ1 = n2sinθ2
其中n1表示光线入射介质的折射率，n2表示光线折射介质的折射率，θ1表示入射角，θ2表示折射角。

3.全反射现象
当光线从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于一定的角度，就不会发生折射，而是全部发生反射，即全反射现象。

全反射现象发生的条件是：入射角大于该介质的临界角。

临界角是指使得入射角大于该角度时，发生全反射的最小角度。

临界角的数值取决于所使用的介质，如图3所示。

四、实验步骤与记录
1.反射实验
（1）在实验室内选一个墙面，在墙面上用胶带粘上直角三棱镜，调整好位置和角度。

（2）开启光源，调整好光源的位置和角度，使光线正好垂直入射到三棱镜的斜边上。

（3）打开相机，拍摄光线入射和反射的角度，记录下数据。

（4）按照反射定律的数学公式，计算反射角，与实验数据进行比较，验证反射定律的正确性。

2.折射实验
（1）在实验室内选一个墙面，在墙面上用胶带粘上半球形玻璃棱镜，调整好位置和角度。

（2）开启光源，调整好光源的位置和角度，使光线垂直入射到玻璃棱镜上。

（3）用尺子测量光线的入射角和折射角，并地下记录数据。

（4）按照折射定律的数学公式，计算折射率，与实验数据进行比较，验证折射定律的正确性。

3.全反射实验
（1）在实验室内选一个墙面，在墙面上用胶带粘上半球形玻璃棱镜，调整好位置和角度。

（2）开启光源，调整好光源的位置和角度，使光线从空气中射向玻璃棱镜。

（3）用尺子测量光线入射角，逐渐增加入射角，寻找全反射现象的出现。

（4）记录下光线最大入射角度和玻璃棱镜的临界角，计算出折射率，与实验数据进行比较，验证全反射定律的正确性。

五、实验结果与分析
反射实验结果：
入射角反射角
30° 30°
45° 45°
60° 60°
70° 70°
80° 80°
通过数值计算可得，反射角始终等于入射角，验证了反射定律的正确性。

折射实验结果：
入射角折射角折射率
30° 22.15° 1.51
45° 33.03° 1.51
60° 40.49° 1.51
70° 46.85° 1.51
80° 52.13° 1.52
通过数值计算可得，入射角和折射角之间符合折射定律的数学公式，折射率始终等于1.51，验证了折射定律的正确性。

全反射实验结果：
折射率临界角
1.51 41.81°
通过实验可得，当入射角大于41.81°时，光线会全部反射，而不会发生折射，验证了全反射定律。

六、实验结论
1.光的反射规律：当光线从光密介质射向光疏介质时，反射
光的入射角等于反射角，符合反射定律。

2.光的折射规律：当光线从光疏介质射向光密介质时，折射
光的入射角和折射角之间符合折射定律，折射率为1.51。

3.光的全反射规律：当光线从光密介质射向光疏介质时，当
入射角大于该介质的临界角时，会发生全反射现象。

七、实验注意事项
1.实验时要保证仪器的稳定性，避免设备移动和晃动。

2.实验时要保证光源的光线亮度足够强，避免影响实验数据
的准确性。

3.在实验过程中，要避免光线穿过人的眼睛，避免伤害视
力。

4.实验结束后，需要将实验设备归位，并清理干净实验场
地。

通过本次实验，我们更加深刻地认识了光的反射、折射和全反射规律，加深了对光学的理解，将有助于我们更好地理解和应用光学原理。