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四、光的折射
【基础知识清单】
1．光在发生折射时，折射光线跟入射光线和法线在 内，折射光线和入射光线分别位于法线的 ；当光线从空气斜射入水或玻璃时，光线向法线偏折，折射角 入射角，从水或玻璃斜入空气时，折射光线远离法线，折射角 入射角；折射角随入射角的增大而 ；折射角随入射角的减小而 ；当光线从空气垂直射入玻璃或从玻璃垂直射入空气时，光的传播方向 ，入射光线、折射光线与法线 ，入射角 折射角，都等于 ，发生折射时光路是 的。
2．渔民看到水中的鱼是光的 现象。
3．海市蜃楼是光的 现象。
4．光导纤维（光纤）光在玻璃丝中不断发生 向前传播的。
(
图5
-
4
-
1
)【知识深层理解】
一、光的折射现象
光从空气斜射入玻璃、水等其他透明物质时，传播方向会发生偏折，这种现象就叫做光的折射。
二、光的折射规律
(
A
B
M
N
E
F
空气
玻璃
O
r
i
光屏
激光灯
法线
空气
玻璃
图5
-
4
-
2
图5
-
4
-
3
)1．实验装置：如图5-4-2所示。
2．有关折射现象中的几个概念：
如图5-4-3所示：
（1）入射光线：AO
（2）折射光线：OB
（3）法线：MN
（4）界面：EF
（5）入射角：入射光线与法线的夹角∠r
（6）折射角：折射光线与法线的夹角∠i
3．探究折射光线与入射光线、法线的关系：
（1）实验步骤：
(
空气
玻璃
图5
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4
-
4
甲
乙
)①如图5-4-4甲所示，使光屏的左右两部分在同一平面内，让激光从左面空气中，沿光屏斜射入到玻璃中，观察在光屏右侧的玻璃中能否看到折射光线，如果能，观察折射光线、入射光线和法线的位置关系；
②如图5-4-4乙所示，把右侧的光屏向后折叠，使光屏的左右两部分不在同一平面内，让激光从左面空气中，沿光屏斜射入到玻璃中，观察在光屏右侧的玻璃中能否看到折射光线，如果能，观察折射光线、入射光线和法线的位置关系；
（2）实验现象：当光屏的左右两部分在同一平面内时，在光屏的右侧的玻璃中能看到折射光线，并且折射光线和入射光线位于法线的两侧；当光屏的左右两部分不在同一平面内时，在光屏的右侧玻璃中看不到折射光线；
（3）实验结论：折射光线与法线、入射光线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧。
4．探究折射角和入射角的关系：
(
r
i
空气
玻璃
图5
-
4
-
5
)（1）光从空气斜射入玻璃中：
①实验步骤：如图5-4-5所示，
a．让激光沿光屏重空气斜射入到玻璃中，观察折射角和入射角的大小关系；
b．改变入射光的方向，重复实验过程；
②实验现象：当光线从空气斜射入玻璃中时，折射光线向法线偏折，折射角小于入射角。
③实验结论：当光线从空气斜射入玻璃中时，折射光线向法线偏折，折射角小于入射角。
（2）光从玻璃斜射入空气中：
(
空气
玻璃
r
i
图5
-
4
-
6
)①实验步骤：如图5-4-6所示，
a．让激光沿光屏从玻璃斜射入到空气中，观察折射角和入射角的大小关系；
b．改变入射光的方向，重复实验过程，观察折射角和入射角的大小关系；
②实验现象：当光线从空气斜射入玻璃中时，折射光线向法线偏折，折射角小于入射角。
③实验结论：当光线从玻璃斜射入空气中时，折射光线远离法线，折射角大于入射角。
5．探究折射角随入射角的变化：
（1）实验步骤：如图5-4-7所示，
(
②
①
②
③
①
③
①
②
③
①
②
③
图5
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4
-
7
)①让激光从左面空气中，沿光屏斜射入到玻璃中，记录折射角和入射角的大小；
②增大入射角，记录折射角和入射角的大小；
③观察比较折射角随入射角的变化关系；
④让激光从玻璃中沿光屏斜射入到空气中，重复上面步骤，观察折射角随入射角的变化关系。
（2）实验现象：当入射角增大时，折射角也增大，折射光线与入射光线的旋转方向相同。
（3）实验结论：不管光线是从空气斜射入玻璃还是从玻璃斜射入空气，折射角都随入射角的增大而增大，随入射角的减小而减小，也就是说折射光线和入射光线的旋转方向一致。
6．光线由空气垂直射入玻璃或从玻璃垂直射入空气：
（1）实验步骤：如图5-4-8所示，
①让光线垂直界面从空气射入玻璃，观察折射光线的方向；
(
图5
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4
-
8
)②让光线垂直界面从玻璃射入空气，观察折射光线的方向。
（2）实验现象：当光线从空气垂直射入玻璃或从玻璃垂直射入空气时，光的传播方向不变，入射光线、折射光线与法线重合。
（3）实验结论：当光线从空气垂直射入玻璃或从玻璃垂直射入空气中时，光的传播方向不变，入射光线、折射光线与法线重合，入射角等于折射角，都等于0°。
7．折射光路的可逆性：
(
图5
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4
-
9
)（1）实验步骤：如图5-4-9所示，
①让激光从空气中，沿光屏斜射入到玻璃中，记下入射光线和折射光线的位置；
②让光线从原来折射光线的方向射入，观察折射光线的方向。
（2）实验现象：光线从原来折射光线的方向射入，从原来的入射光线方向射出。
（3）实验结论：折射光路是可逆的。
【总结】光在发生折射时：
（1）折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线两侧；
（2）当光线从空气斜射入水或玻璃时，折射光线向法线偏折，折射角小于入射角；从水或玻璃斜射入空气时，折射光线远离法线，折射角大于入射角；
（3）折射角随入射角的增大而增大；随入射角的减小而减小；
（4）当光线从空气垂直射入玻璃或从玻璃垂直射入空气时，光的传播方向不变，入射光线、折射光线与法线重合，入射角等于折射角，都等于0°。
（5）发生折射时，光路是可逆的。
三、折射成像
1．从水面上看水面下的物体：如图5-4-10所示， (
S
′
水
空气
S
图5
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4
-
10
)水面下一发光体S，向水面发射无数条光线（图中画出其中两条），经水面折射后射入人眼，但人眼感受不到光线的偏折，而是认为光线都是沿直线传播到人眼的，所以人眼认为发光体在光线的反向延长线的交点S′处，S′即为S的像，所以像的位置要比实际物体的位置高。
有关现象实例解释：
(
图5
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4
-
11
水面
)（1）河底看起来比实际的要浅：由折射成像的特点“像的位置要比实际物体的位置高”可知，河底的每一个点的像都要比实际位置偏高，所以整个河底像的位置要比实际位置偏高，河底看起来比实际的要浅,如图5-4-11所示。
警告：洗澡时注意河水的实际深度要比你看到的河底深得多！杜绝野外洗澡！
（2）水中的筷子：如图5-4-12所示，浸没在水中的筷子，由于每一点像的位置都要比实际浅，所以整个处于水中部分的筷子的像要比实际的筷子位置高，而上面上的部分不发生折射，因此，水中的筷子看起来从水面处折断。
水中的筷子 鱼叉叉鱼
原理图 实物图 原理图 实物图
(
S
′
)
图5-4-12 图5-4-13
（3）叉鱼：如图5-4-13所示，渔民在用鱼叉捉鱼时，渔民看到的是鱼的像，而实际的鱼在像的下方。所以有经验的渔民在用鱼叉捉鱼时，都是向看到的鱼的下方叉，才有可能叉到鱼。
(
S
′
S
水
空气
图5
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4
-
14
)2．从水面下看水面上的物体：如图5-4-14所示，水面上一发光体S，向水面发射无数条光线（图中画出其中两条），经水面折射后射入人眼，但人眼感受不到光线的偏折，而是认为光线都是沿直线传播到人眼的，所以人眼认为发光体在光线的反向延长线的交点S′处，S′即为S的像，所以像的位置要比实际物体的位置高。
【总结】无论从水面上看水面下的物体，还是从水面下看水面上的物体，像的位置都比实际位置高。
(
S
′
水
空气
S
图5
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4
-
15
)四、折射时，物体成的是虚像
如图5-4-15所示，像S′是折射光线反向延长线的交点，实际光线并没有经过S′点，用光屏放在S′点就接收不到像，此时所成的像是虚像。所以，我们从空气中看到水中的“物体”和从水中看到空气中的物体都是物体经过水面折射形成的虚像。
五、海市蜃楼
在沙漠或海面上，常常出现海市蜃楼奇观。那么海市蜃楼现象是怎样形成的呢？
(
A
B
图5
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4
-
16
)如图5-4-16所示，在沙漠或海面上，由于温度和湿度的影响，使沙漠或海面上方的空气密度不均匀，光在传播的过程中由于折射，使光的传播方向不断发生改变，物体A反射的光线沿着弯曲的路径传向人眼，而人眼认为光都是沿直线传播过来的，所以人眼认为物体在B点，这就是海市蜃楼的形成原因，所以，海市蜃楼是光在传播的过程中发生折射产生的。
六、初升的太阳
如图5-4-17所示， (
图5
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4
-
17
)由于大气层密度不均匀，初升太阳的光线在空气中传播时，不断发生折射而使路径弯曲，初升的太阳光是沿着弯曲的路径传播到人眼里的，而人眼认为光都是沿直线传播过来的，
所以太阳在地平线以下我们就看到了太阳。
七、折射光路图的作法
【例题1】画出如图5-4-18所示的折射光路图。
做题步骤：
题目 步骤1 步骤2
画出法线 画出折射光线（向法线靠拢）
(
空气
水
) (
图5
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4
-
18
) (
空气
水
) (
空气
水
)
【例题2】画出如图5-4-19所示的折射光路图。
作图步骤：
题目 步骤1 步骤2
画出如图所示的光路图。 画出法线 画出折射光线（远离法线）
(
空气
水
) (
图5
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4
-
19
) (
空气
水
) (
空气
水
)
注意事项：①要画法线；②判断折射光线的偏转方向；③画箭头。
【例题3】画出如图5-4-20所示一束光线通过三棱镜的光路图。
作图步骤：
题目 步骤1 步骤2
画出一束光线通过三棱镜的光路图。 画出光线由空气进入玻璃的折射光线（注意：折射光线向法线靠拢）； 作出光线由玻璃射入空气的折射光线（注意：折射光线远离法线）。
图5-4-20
【总结】光线通过三棱镜折射后向底面偏折。
【例题4】画出如图5-4-21所示光线通过玻璃砖的光路图。
作图步骤：
题目 步骤1 步骤2
画出光线通过玻璃砖的光路图。 画出光线由空气进入玻璃的折射光线（注意：折射光线靠拢法线）； 作出光线由玻璃射入空气的折射光线（注意：折射光线远离法线）。
图5-4-21
(
乙
甲
图5
-
4
-
22
)通过作图知道，当光线通过玻璃砖时，光的传播方向发生了偏移，如图5-4-22甲所示，所以当我们通过玻璃砖看物体时，会观察到被玻璃砖遮住的部分发生了错位的现象，如图5-4-22乙所示。
(
A
S
S
′
图5
-
4
-
23
)【例题5】如图5-4-23所示，发光点S发出的一条光线经水面折射后，经过A点，S′是S的像，画出光路图。
分析：如图5-4-24所示，所有的折射光线都好像是从像S′射过来的，如图甲。所以折射光线一定在S′A是连线上，如图乙。连接S′A交界面于点O，O点便是入射点，连接SO即为入射光线，如图丙，再画出法线。
(
甲
S
′
水
空气
S
) (
A
O
S
S
′
乙
) (
丙
S
′
O
A
S
)
图5-4-24
做题步骤：
(
A
O
S
S
′
)1．连接S′A，作出折射光线 (
A
O
S
S
′
)2．画出法线 (
O
A
S
S
′
)3．连接SO，作出入射光线
【总结】（1）连接像点和A点，找出入射点O是关键；（2）注意画法线和箭头。
八、叉鱼和照鱼的区别
【例题6】有经验的渔民叉鱼时，应向 （A．看到的“鱼”，B．看到的“鱼”的下方，C．看到的“鱼”的上方）叉，才可能叉到鱼；要用手电筒把水中的鱼照亮，应向 （A．看到的“鱼”，B．看到的“鱼”的下方，C．看到的“鱼”的上方）照，才可能把鱼照亮。
(
S
′
乙
S
′
甲
图5
-
4
-
25
)解析：如图5-4-25所示，渔民在用鱼叉捉鱼时，渔民看到的是鱼的像，而实际的鱼在像的下方。所以有经验的渔民在用鱼叉捉鱼时，都是向看到的“鱼”的下方叉，才有可能叉到鱼，如图甲。
而要把鱼照亮，要朝着看到的“鱼”（鱼的像S′点）照射，入射光照到水面上后，经过水的折射，正好把实际的鱼照亮，如图乙。答案：B，A
【例题7】中国的潜艇技术举世瞩目，当潜艇用导弹打击空中的飞机时，应向
（A．看到的“飞机”，B．看到的“飞机”的下方，C．看到的“飞机”的上方）发射，才能击落空中的飞机；如果用激光打击空中的飞机，应向 （A．看到的“飞机”，B．看到的“飞机”的下方，C．看到的“飞机”的上方）发射，才能击落空中的飞机。
如图5-4-26所示， (
丁
S
′
激光
丙
S
′
图5
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4
-
26
)水下的潜艇用炮弹和激光打击空中飞机的方法也是不同的，由于在水下看到飞机的像S′比实际的飞机高，所以用炮弹打击飞机时，应朝着看到的“飞机”的下方打，才可能打到飞机，如图丙；而用激光打击飞机时，应朝着看到的“飞机”照射，激光射到水面后，经过水面折射，正好射中飞机，如图丁。答案：B，A
【总结】不管从水面上还是从水面下，要用光照亮物体，应朝着看到的“物体”（像）照；要用实物打击物体，要向看到的“物体”（像）的下方打击。

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