资源简介

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热学、光学
及原子物理初步
导入 从太阳和彩虹说起
太阳以光和热滋养着地球上的万事万物；芬芳馥郁的鲜花将大地点缀得生机勃勃；绚丽夺目的彩虹延伸到天边的云海；山川 深处的矿石蕴藏着惊人的能量……
太阳内部“藏”着什么样的奥秘？彩虹是如何形成的？为什么人们能闻到远处沁人心脾的花香？学完本章知识，你将找到问题的答案。
“蜃阙半模糊，踏浪惊呼”是古人面对海边蜃景发出的由衷感叹。随着科学的发展，人们渐渐认识到，夏天平静的海面上空出现建筑物、城廓等幻景其实是蜃景现象（图 10- 16）。蜃景是如何形成的？学习了光的折射和全反射，你便能发现其中的奥秘。
第三节 光的折射和全反射
我们知道，光在均匀介质中沿直线传播，当光从一种介质斜射入另一种介质时，在两种介质的分界面处（图 10-17），一部分光返回空气中，这种现象称为光的反射，另一部分光进入玻璃，且传播方向在界面处发生改变，这种现象称为光的折射。折射角与入射角之间有着怎样的定量关系呢？下面我们通过实验 来进行探究。
一、光的反射与折射
第三节 光的折射和全反射
探究折射角与入射角的关系
如图 10-18 所示，往水槽内注水，让水面与量角器的 90°刻度线重合。让激光发射器发出的光沿盘面斜射到水面并进入水中，光线通过量角器的 0 刻度线与水面的 交点。观察光的传播方向及入射光线、折射光线和法线的位置关系。
一、光的反射与折射
第三节 光的折射和全反射
做中学
保持光在水面的入射点不变，改变入射光的方向，观察折射光的方向如何变化，并记录相应的入射角和折射角。分析这些数据，你能得出什么结论？（实验过程中请不要直视激光束，以免伤害眼睛。）
由实验数据可知，当入射角增大时，折射角也增大。通过计算，发现入射角的正弦与对应折射角的正弦之比几乎相等。
1621 年，荷兰科学家斯涅耳发现了折射角与入射角之间的关系：入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数。如果用符号 来表示这个比例常数，则有
一、光的反射与折射
第三节 光的折射和全反射
这个关系式称为光的折射定律。物理学中，把光从真空斜射入某种介质发生折射时，入射角 的正弦与折射角 的正弦的比值 ，称为这种介质的折射率，也称绝对折射率。
空气对光传播的影响很小，一般情况下可近似作为真空处理。折射率反映光从空气斜射入介质（或从介质斜射入空气）时的偏折程度。介质的折射率越大，光偏离原来传播方向的程度就越大。表 10-1 列出了几种常见物质的折射率。
一、光的反射与折射
第三节 光的折射和全反射
与反射现象一样，在折射现象中，光路也是可逆的。如果让光逆着原折射光线方向从玻璃射向界面，折射光线会逆着原入射光线方向射向空气（图 10-19）。
一、光的反射与折射
第三节 光的折射和全反射
色散现象
当一束白光射入三棱镜时，由于三棱镜对白光中不同色光的折射率不同，不同色光的偏折程度就不同，紫光偏折程度最大，红光偏折程度最小。白光经三棱镜折射后，会被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的单色光，形成色散现象（图 10-20）。
一、光的反射与折射
第三节 光的折射和全反射
拓展一步
当光从玻璃射入空气中时，折射角大于入射角。如果入射角一直增大，会发生什么现象呢？下面我们通过实验进行探究。
二、光的全反射
第三节 光的折射和全反射
做中学
观察全反射现象
如图 10-21 所示，用一束激光沿半圆柱 形玻璃砖的半径射到直边上，让入射角由 0° 逐渐增大，观察折射角与反射角的变化情况，以及折射光和反射光强弱的变化，你会看到什么现象？
实验观察发现，当光从玻璃射入空气中时，折射角大于入射角，随着入射角逐渐增大，反射角与折射角也同时增大，并且反射光变强，折射光变弱，当入射角增大到某一角度时，折射光完全消失，全部光都被反射回玻璃内。这种现象称为全反射现象，简称全反射。
二、光的全反射
第三节 光的折射和全反射
实验中，刚好发生全反射时的入射角，称为全反射的临界角。当入射角趋近于临界角时，折射角趋近于 ，折射光强度趋近于 ，反射光强度与入射光强度几乎相等。当入射角大于或等于临界角时，就会发生全反射（图 10-22）。光由不同的介质射入真空或空气时，临界角不同。
二、光的全反射
第三节 光的折射和全反射
根据折射定律，光从折射率为 的某种介质进入真空或空气时，临界角公式为
对于两种不同的介质，折射率较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为光密介质。如玻璃、空气、金刚石三种物质相比较，玻璃对空气来说是光密介质，对金刚石来说是光疏介质。上述实验中看到的全反射现象，是光从玻璃射入空气时产生的。如果光从空气射入玻璃，其折射角始终小于入射角，即使增大入射角，折射角也不会达到 ，折射光始终存在，不会发生全反射现象。发生全反射的条件是：光由光密介质射入光疏介质，且入射角大于或等于临界角。
二、光的全反射
第三节 光的折射和全反射
蜃景常在海上、荒漠中出现。夏天，海面上空的空气层易出现较大温差，靠近海面的空气层温度相对较低，密度相对较大，折射率也较大，光线通过折射率不同的气层便会发生折射，当入射角大于或等于临界角时发生全反射，人们逆着反射光看去，就会看到远方的景物“悬”在空中而产生“海市蜃楼”现象（图 10-23）。荒漠里看到的蜃景也是一种全反射现象，此时人们看到的是远处物体的倒景（图 10-24）。
二、光的全反射
第三节 光的折射和全反射
作业与活动
第三节 光的折射和全反射
1. 请解释诗句“池水映明月”“潭清疑水浅”所反映的光学原理。
作业与活动
第三节 光的折射和全反射
2. 下面是某单色光由空气射入半圆形玻璃砖，再由玻璃砖射入空气的光路图，其中点 O 是半圆形玻璃砖的圆心。可能正确的光路图是下面哪一个， 为什么？
作业与活动
第三节 光的折射和全反射
3* . 早晨，当我们看到太阳刚刚升出地平线时，实际上太阳还在地平线以下；傍晚太阳已经“落山”后，阳光仍能“绕过”地平线让我们看到。请解释这一现象。
作业与活动
第三节 光的折射和全反射
4* . 如图所示，水杯中的铅笔看起来像被“折断”似的，请解释这种现象。
项目任务与实践活动
第三节 光的折射和全反射
5. 利用激光笔和玻璃砖等材料，测定玻璃的折射率，并撰写实验报告。

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