高中物理选修3-4学案：13.1光的反射和折射

[目标定位] 1.理解光的反射定律和折射定律，并能用来解释和计算有关问题.2.理解折射率的物理意义，知道折射率与光速的关系.3.会依据光的反射定律和折射定律作出光路图.4.会用插针法测定玻璃的折射率．一、反射定律和折射定律1．光的反射及反射定律(1)光的反射：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________到第1种介质的现象．(2)反射定律：反射光线与入射光线、法线处在____________内，反射光线与入射光线分别位于法线的________；反射角________入射角．(3)在光的反射现象中，光路________．(填“可逆”或“不可逆”) 2．光的折射及折射定律(1)光的折射：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会进入第2种介质的现象． (2)折射定律折射光线与入射光线、法线处在______________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______比，即______________＝n 12. (3)与光的反射现象一样，在光的折射现象中，光路也是可逆的． 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，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 ＝sin θ1sin θ2等知识列方程，结合数学三角函数的关系进行运算．深度思考光在两种介质的界面发生反射和折射现象时，反射光线、折射光线和入射光线的传播速度是否相同？例1一束光线射到一个玻璃球上，如图1所示．该玻璃球入射角的正弦与折射角的正弦之比是3，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)图1解决光的折射问题，首先应正确画出光路图，再利用几何关系确定边、角关系，最后利用折射定律等公式求解.二、折射率(n)1．定义：光从________射入某种介质发生折射时，入射角的________与折射角的________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．折射率与光速的关系：某种介质的折射率，等于光在__________的传播速度c 与光在这种介质中的传播速度v 之比，即n ＝cv . 3．任何介质的折射率n 都大于1. 4．对折射率的理解(1)折射率是一个反映介质的光学性质的物理量，其大小由介质本身及入射光的________决定，与入射角、折射角的大小______关．(填“有”或“无”) (2)“相对折射率”与“绝对折射率”①相对折射率：光从介质1射入介质2时，入射角θ1与折射角θ2的正弦之比叫做介质2对介质1的相对折射率，通常用n 12表示.sin θ1sin θ2＝n 12.②绝对折射率：若介质1是真空，则介质2相对真空的折射率叫做该介质的绝对折射率，通常用n 表示．(3)应用n ＝sin θ1sin θ2计算介质的折射率时，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．例2(多选)关于折射率，下列说法正确的是()A ．根据sin θ1sin θ2＝n 12可知，介质的折射率与入射角的正弦成正比B ．根据sin θ1sin θ2＝n 12可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比C ．根据n ＝cv 可知，介质的折射率与光在该介质中的传播速度成反比 D ．同一频率的光由真空进入某种介质时，折射率与波长成反比折射率n 反映了介质的光学性质，它的大小只由介质本身和入射光的频率决定，与入射角和折射角的大小无关，切不可认为n 与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比.例3(多选)如图2所示，有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种介质，光线的传播方向以及光线与介质分界面的夹角由图中标出，由此可以判断()图2A．光在介质Ⅱ中的传播速度最小B．介质Ⅲ的折射率最小C．光在介质Ⅰ中的传播速度最大D．介质Ⅲ的折射率最大三、测定玻璃的折射率1．实验原理用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，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 ＝sin θ1sin θ2.2．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． 3．实验步骤(1)如图3所示，将白纸用图钉钉在平木板上．图3(2)在白纸上画出一条直线aa ′作为界面(线)，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，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P 1、P 2，透过玻璃砖观察大头针P 1、P 2的像，调整视线方向直到P 2的像挡住P 1的像．再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P 3、P 4，使P 3挡住P 1、P 2的像，P 4挡住P 3本身及P 1、P 2的像，记下P 3、P 4的位置．(5)移去大头针和玻璃砖，过P 3、P 4所在处作直线O ′B 与bb ′交于O ′，直线O ′B 就代表了沿AO 方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向．(6)连接OO ′，入射角θ1＝∠AON ，折射角θ2＝∠O ′ON ′，用量角器量出θ1和θ2，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．(7)用上述方法测出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中．(8)算出不同入射角下的正弦比值sin θ1sin θ2，最后求出在几次实验中比值sin θ1sin θ2的平均值，即为玻璃砖的折射率． 4．注意事项(1)实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动．(2)不能用手触摸玻璃砖光洁面，更不能把玻璃砖当尺子用．(3)大头钉应竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针P 1与P 2间、P 3与P 4间的距离应适当大些，以减小确定光路方向时造成的误差．(4)实验中入射角不宜过小或过大，否则会使测量误差增大．(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，那么只是出射光线和入射光线不平行，同样能测出折射率．例4在用三棱镜测定玻璃折射率的实验中，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位置和三棱镜轮廓如图4所示．图4(1)在本题的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________．1．(对折射现象的理解)关于光的折射现象，下列说法中正确的是()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，光在其中的传播速度小2．(折射定律的应用)一条光线从空气射入折射率为2的介质中，入射角为45°，在界面上入射光的一部分被反射，另一部分被折射，则反射光线和折射光线的夹角是()A．75°B．90°C．105°D．120°3．(测定玻璃的折射率)(多选)“测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图5所示．在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“×”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3和P4.在插P3和P4时，应使()图5A．P3只挡住P1的像B．P4只挡住P2的像C．P3同时挡住P1、P2的像D．P4挡住P3，同时挡住P1、P2的像4．(折射定律的应用)人造树脂是常用的眼镜镜片材料．如图6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＝5cm，AB＝20cm，BP＝12cm，求该人造树脂材料的折射率n.图6提醒：完成作业第十三章 1[答案]精析一、1.(1)返回(2)同一平面两侧等于(3)可逆2．(2)同一平面两侧正sinθ1 sinθ2深度思考光在不同介质中的传播速度不同．反射光线和入射光线是在同一介质中，故它们两个的传播速度相同；折射光线和入射光线不在同一介质中，故它们两个的传播速度不同．例1与入射光线的夹角为60°[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sin i1sin r1＝n，sin i2 sin r2＝1 n.由△AOB为等腰三角形，则i2＝r1.由几何关系知r1＋∠1＝60°，i2＋∠2＝r2，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°.二、1.真空正弦正弦 2.真空中 4.(1)频率无例2CD[介质的折射率是一个反映介质光学性质的物理量，由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角无关，故选项A、B均错；由于真空中的光速是个定值，故n与v成反比是正确的，这也说明折射率与光在该介质中的传播速度是有联系的，选项C正确；由于v＝λf，当f一定时，v与λ成正比，又n与v 成反比，故n与λ也成反比，选项D正确．]例3AB[由相对折射率和绝对折射率的关系可知：n1sin45°＝n2sin40°，n2sin26°＝n3sin40°，得n2＞n1＞n3，B项对，D项错；由n＝c v可知v2<v1<v3，A项对，C项错．]三、例4 见[解析][解析](1)如图所示，画出通过P 1、P 2的入射光线，交AC 面于O ，画出通过P 3、P 4的出射光线交AB 面于O ′.则光线OO ′就是入射光线P 1P 2在三棱镜中的折射光线．(2)在所画的图上注明入射角θ1和折射角θ2，并画出虚线部分，用量角器量出θ1和θ2. (3)n ＝sin θ1sin θ2.对点检测 自查自纠 1．D 2．C [高中物理选修3-421如图所示，根据折射定律sin θ1sin θ2＝n ，则sin θ2＝sin θ1n ＝sin45°2＝12，θ2＝30°，反射光线与折射光线的夹角θ＝180°－45°－30°＝105°，C 正确．]3．CD [在插上大头针P 3时，应使P 3挡住P 1、P 2的像；在插上大头针P 4时，应使P 4挡住P 3，同时挡住P 1、P 2的像．所以选项C 、D 正确．] 4.44914(或n ＝1.5) [解析] 设折射角为θ2，由折射定律n ＝sin θ1sin θ2，其中θ1＝30° 由几何关系知sin θ2＝BP －OA OP，且OP ＝(BP －OA )2＋AB 2 代入数据解得n ＝44914(或n ≈1.5)．。