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第11章 光学基础
引言：从东方地平线上升起的太阳的光辉，使我们看见周围的世界。光帮助我们认识物体，了解物体结构，人类的一切活动都和光息息相关，有光万物才能生长发育，生活才丰富多彩。早在公元前400多年，中国的《墨经》中就记录了世界上最早的光学知识。随着历史的进展，光学已发展成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。
本章我们主要介绍光的折射规律，通过学习使你对光的折射原理、光的全反射、光学元件、光导纤维、光学仪器等有一个比较全面的认识；其次介绍曾经争论了几百年的关于光的本性的认识，初步回答“光是什么”这个问题；最后，学习激光及其应用方面的知识。
11-1 光的折射
一、教学目标
1.理解光的折射概念
2.理解光的折射率
3.能应用折射定律进行正确计算
4.能将理论用于生活，学会思考、分析、解决问题。
二、教学重点难点
重点：折射概念，折射定律的应用
难点：折射定律的应用
三、教学器材
玻璃容器，水，筷子，硬币
四、教学建议
教法建议
讲解，演示实验，讨论
教学设计方案
（一）引入新课
用实验引入新课
1.拿出玻璃容器，并将容器盛满水，将一支筷子放进，筷子在进入水面处发生了明显的弯折如图1所示
图1 水中的筷子“弯折”
2.将一枚硬币放在容器底，找一同学从某一角度观察时，看不到容器底部的硬币，保持眼睛和容器的位置不变，另一同学向容器中注入清水，当水面上升到一定高度时，就能看见容器底部的硬币。（图2水中的硬币“变浅”）
图2 水中的硬币“变浅”
（二）引出课程内容
1.光的折射
前面试验现象的产生，是因为光从一种介质（如空气）进入另一种介质（如水或玻璃）时，光传播的方向发生了改变。
定义 光从一种均匀介质进入另一种均匀介质时，传播方向在界面处发生改变的现象称为光的折射。
2.复习介绍几个物理概念
（1）法线
跟界面垂直的的线
（2）入射角、折射角
入射光线跟法线之间的夹角称为入射角、折射光线跟法线之间的夹角称为折射角。当光在两种介质界面发生折射时，折射光线、入射光线和界面法线在同一平面内，折射光线、入射光线分居法线两侧。
图3 光的折射
3.请同学们再观察一个实验：
拿出光具盘：当改变入射光的方向时，反射光，折射光的方向也都发生改变。
图4 光具盘上的折射实验：
理论可以证明，虽然入射角的大小发生变化时，折射角的大小也在做相应的变化，但是入射角（）正弦和对应的折射角（）正弦之比不变，为一常数，
即
这就是光的折射定律。
描述折射定律的方法是由荷兰科学家斯涅尔在1621年确定的。
理论和实践还可以证明，如果光在介质I、Ⅱ中的传播速度分别为和，那么光从介质I斜射入介质Ⅱ时，有
=
由于光在不同介质中的传播速度不同，因此， 中的常数值也各不相同。
4.光路的可逆性
筷子斜插入盛水的容器中时，我们看到筷子在水面处发生弯折，这是由于折射的缘故；如果筷子垂直插进水中，它将不发生弯折。让光线逆着原来折射光线的方向射入，它将会逆着原来入射光线的方向射出，这说明在折射现象中，光路也是可逆的。光路的可逆性常用来分析和解决光传播中的问题。
5.折射率
（1）折射率
我们把光从真空射入某种介质时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，称为这种介质的绝对折射率，简称折射率，用n表示。
介质不同时，折射率一般也不同，例如，水的折射率n =1.33，冕牌玻璃的折射率n=1．51。
由实验可以证明，介质的折射率等于光在真空中的速度c与光在该介质中传播速度之比，即
由于光在任何介质中的传播速度都小于光速，所以介质的折射率总是大于1，在空气中≈c，所以空气的折射率可以取为l。
（2）折射率可以用来比较各种介质偏折光线的程度
光在某介质中的速度越小，该介质的折射率就越大，光进入该介质时的偏折程度也越大。因此，可以用折射率来比较各种介质偏折光线的程度。常见的几种介质的折射率在教材中表11-1列出。
(3) 折射定律常用的形式
由可推导出
根据式=有
这是折射定律常用的形式。
6.光疏介质，光密介质
两种介质相比较，折射率较小的，称为光疏介质；折射率较大的，称为光密介质。
光疏介质和光密介质是相对的，例如，水与玻璃比较是光疏介质，而与空气比较就成了光密介质。
例题1 游泳池水深h，垂直水面往下看，其视深为多少 (设水的折射率为n)
解 从池底一点S发出两条光线，一条垂直射出水面，另一条入射角为，折射角为 (如图所示)。这两条光线折射线的反向延长线的交点S’即S的像，像的深度变浅了。
在ASO中，tan=；在A中， tan=。
因为OS=h，O=，= 则
图5 例题1图
视深
垂直水面往下看时，都很小，所以
例题2 有一长方形容器，高30 cm，宽40cm，在容器的底部平放着一把长40 cm的刻度尺，人眼在容器右侧S点观察，视线沿着SA斜向下刚好能看到刻度尺R的左端零刻度0点，现保持眼睛的位置不变，向容器内倒入某种液体，当容器中盛满某种液体时，人眼恰能看到刻度尺上20 cm处(B点)，试求容器中液体的折射率n。
解 由题中所给条件，不倒入液体时，SA连线直指零刻度O点。
倒入液体后，刻度尺上20 cm的B处发出一条光线入射到液体和空气的交界面上的A点，折射后沿AS进入眼睛，如图所示
图6 例题2图
则
此例告诉了我们一种测量液体折射率的简便方法。
（三）小结
1.折射定律 折射光线、入射光线和界面法线在同一平面上，折射光线和入射光线分居法线两侧，入射角（）正弦和对应的折射角（）正弦之比不变，为一常数
即=常数。
在折射现象中，当入射角为0。时，折射角也是0。，这是一种特殊情况。
折射定律还可以表示为
在光的折射现象中，光路是可逆的。
2.折射率 光从真空(或空气)射入某种介质时，入射角正弦和折射角正弦之比称为这种介质的折射率。
折射率反映介质折射光线的能力。
介质的折射率与介质中的速度的关系：
3．光密介质和光疏介质 两种介质相比，折射率较小的称为光疏介质，折射率较大的称为光密介质。
（四） 作业布置
1．课堂练习p.122 1、2（提问、讨论）
2．课外作业p.123 3、4、5
课外阅读 物理学家 墨翟
（五） 教学说明
1．教师需注意的问题：三角函数，几何知识。
2．学生容易在公式换算之间出错，应注意引导。

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