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4.1 光的折射
《选择性必修第一册》 第四章 光
教学目标
1.认识光的反射及折射现象，知道法线、入射角、反射角、折射角的含义。
2.通过实验探究，理解折射率的概念和光的折射定律。
3.会测量玻璃等材料的折射率，通过实验体会光线模型的建构过程。
目录
03
实验：测定玻璃的折射率
01
02
折射率
折射定律
课堂引入
观察以下视频，你知道射水鱼在水中能准确射中水面上不远处的小昆虫。水中的鱼看到小昆虫在什么位置？是在昆虫的上方还是下方？
课堂引入
为什么泳池水看起来比实际的浅呢？
海市蜃楼是怎么形成的？
光的折射
（一）光的反射
问题：阳光照射水面时，我们能够看到水中的鱼和草，同时也能看到太阳的倒影，这说明什么？
光从第 1 种介质射到该介质与第 2 种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫作光的反射。
光的反射有什么规律？
入射光线
反射光线
法线
入射角
反射角
光路可逆
界面
（1）反射光线与入射光线、法线在同一平面
（2）反射光线和入射光线分居法线两侧
（3）反射角等于入射角
（二）实验演示
认真观察实验，光从玻璃中入射到空气中，发生了什么现象？
一部分反射了反射，
一部分传播到空气中
光的折射有什么规律？
（三）光的折射
1.光的折射
光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变的现象。
N
N′
空气
玻璃
i
r
O
A
B
界面
法线
入射光线
折射光线
入射角
折射角
(
(
反射光线
（三）光的折射
(1)折射光线、入射光线、法线在同一平面内
(2)折射光线和入射光线分居法线两侧
(3)当光从空气斜射入玻璃中时，折射角小于入射角
(4)当光从玻璃斜射入空气中时，折射角大于入射角
(5)当入射角增大时，折射角也随着增大
2.光的折射定律
N
N′
空气
玻璃
i
r
O
A
B
界面
法线
入射光线
折射光线
入射角
折射角
(
(
反射光线
入射角与折射角有什么定量关系呢？
（三）光的折射
以光从空气射入玻璃为例，折射角和入射角的关系
入射角i
10
30
40
50
60
70
80
折射角r
6.6
19.5
25.4
30.7
35.3
38.8
41.1
i / r
1.51
1.54
1.57
1.63
1.70
1.80
1.95
sini/sinr
1.51
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
实验结论：入射角的正弦跟折射角的正弦成正比
如果将玻璃换成其它介质，入射角和折射角的正弦之比是否具有相同的结论？
（三）光的折射
sini/sinr
1.51
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
入射角i
10
20
30
40
50
60
70
80
折射角r
6.6
13.2
19.5
25.4
30.7
35.3
38.8
41.1
玻璃
水
折射角r
7.5
14.9
22.1
28.9
35.2
40.6
45
47.8
sini/sinr
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
1.33
金刚石
折射角r
4.1
8.1
11.9
15.4
18.5
21
22.9
24
sini/sinr
2.42
2.43
2.42
2.42
2.41
2.42
2.41
2.42
总结：光从一种介质进入到另一种介质时，总有入射角的正弦与折射角的正弦之比相等。
（三）光的折射
斯涅耳
1621 年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量实验数据后，找到了两者之间的关系，并把它总结为光的折射定律。
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:
（三）光的折射
说明：
（1）折射现象中光路是可逆的；
（2）光的传播方向: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。并非一定变化,当光垂直界面入射时,传播方向就不发生变化。
（3）光的传播速度:光从一种介质进入另一种介质时,传播速度一定发生变化,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,光传播的速度发生变化。
（一）思考与讨论
你还能发现什么规律？
常数与介质有关系，是一个反映介质的光学性质的物理量。常数越大，光线以相同入射角从真空斜射入这种介质时偏折的角度越大。
（二）折射率
说明：（1）n的大小与θ1和θ2无关，与介质和入射光的频率有关，对于确定的介质，n是定值，不能说n∝sinθ1或n∝1/sinθ2
（2）折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1。
2.定义式:
（3）折射率反映介质对光的偏折作用，n越大光线偏折越厉害。
1.定义：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。
说明：
(4)光从一种介质进入另一种介质时,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而定。
(5)当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时,入射角大于折射角,当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时,入射角小于折射角。
（二）折射率
课堂练习
1．某同学观察一束光从空气射向水中的反射和折射现象，画出的光路图正确的是（ 　）
A． B．
C． D．
B
课堂练习
2．一束红光由空气进入某种介质，界面两侧的光线与界面的夹角分别为45°和60°，如图所示。则介质对该红光的折射率为（　　）
A． B．
C． D．
D
【例题】如图一个储油桶的底面直径与高均为d．当桶内没有油时，从某点A恰能看到桶底边缘的某点B。当桶内油的深度等于桶高的一半时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶低上的点C，CB两点距离d/4．求油的折射率和光在油中传播的速度。
Ｂ
Ａ
d
C
O
D
N
Nˊ
θ2
解：
测定玻璃砖的折射率（一）实验思路
玻璃是一种透明介质，光从空气入射到玻璃的界面上会发生折射，如何把玻璃的折射率测出来？
思路：选取一块玻璃砖按在白纸上，作出玻璃砖的轮廓，然后作出入射玻璃砖的光线和出射玻璃砖的光线，最后连接入射点和出射点的光线，这就是折射光线。最后测出入射角和折射角的大小，代入公式就可以得出答案。
（一）实验思路
如何作出入射光线和出射光线？
在白纸上画一条直线aa′，并取aa′上的一点O为入射点，作过O的法线NN′，画出线段AO作为入射光线，并在AO上插上P1、P2两根大头针，在白纸上放上玻璃砖，使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐，并画出另一条长边的对齐线bb′，再在另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、P2、P1的像，记下P3、P4位置；
（二）实验方案
请设计出实验方案，并与其他同学交流？
（三）数据分析
如何进行数据分析才能得出结论？
1．平均值法
算出不同入射角时的比值 ，最后求出在几次实验中所测的 平均值，即为玻璃砖的折射率。
2．图象法
以sin θ1值为横坐标、以sinθ2值为纵坐标，建立直角坐标系，如图1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k，则 ，故玻璃砖折射率 。
（三）数据分析
如何进行数据分析才能得出结论？
3．作图法
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、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 2所示。由于 ， ，且CO＝DO，所以折射率 。
（四）注意事项
做该实验时需要注意什么事项？
(1)实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间，P2与O点之间，P3与P4之间，P3与O′点之间距离要稍大一些。
(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，也不宜太小。
(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5 cm以上。若宽度太小，则测量误差较大。
（四）注意事项
哪些原因会导致实验有误差？
(1)入射光线和出射光线确定得不够精确，因此要求插大头针时，两大头针间距应适当大一些。
(2)入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当大些，以减小测量的相对误差。
课堂小结
光的折射
折射定律：
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：
折射率
公式：
测定玻璃的折射率
实验：
定义：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。
课后作业
1．在图中的虚线表示两种介质的界面及其法线，实线表示一条光线射向界面后发生反射和折射的光线，以下说法正确的是（　　）
①bO不可能是入射光线
②aO不可能是入射光线
③cO不可能是入射光线
④Ob一定是反射光线
A．①②③ B．①②④ C．②③④ D．①③④
D
课后作业
2．（多选）a、b两种单色光以相同的入射角从某种介质射向真空，光路如图所示，则以下叙述正确的是（ ）
A．在该介质中a光的传播速度大于b光的传播速度
B．在该介质中a光的传播速度小于b光的传播速度
C．该介质对b光的折射率大于对a光的折射率
D．该介质对b光的折射率小于对a光的折射率
AC
课本89页：练习与应用1,2,3,4,5,6题。

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