资源简介

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4.1光的折射 教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念
（1）通过实验观察与分析，准确理解光的折射现象，明确折射光线、入射光线、法线、入射角、折射角等基本概念，能在光路图中规范标注相关物理量。
（2）掌握光的折射定律，理解定律的核心内涵——折射光线与入射光线、法线在同一平面内（共面性），折射光线与入射光线分别位于法线两侧（异侧性），入射角的正弦与折射角的正弦成正比（定量关系），能运用定律解释生活中的折射实例。
（3）理解折射率的物理意义，知道折射率是反映介质光学特性的物理量，明确其定义式与决定因素，能结合常见介质的折射率数据分析光的传播规律。
2.科学思维
（1）通过对折射实验数据的处理与分析，经历从定性观察到定量总结的思维过程，培养归纳推理能力，体会“控制变量法”在探究折射规律中的应用。
（2）能运用光的折射定律解决光路作图、角度计算等问题，建立“物理模型”思维，将复杂的实际情境转化为简洁的物理光路模型。
（3）通过对比光的反射定律与折射定律，培养类比迁移能力，深化对光的传播规律的系统性认识。
3.科学探究
（1）参与“探究光的折射规律”实验，能自主完成实验器材的组装与调试，规范记录实验数据，分析实验误差产生的原因并提出改进建议，提升实验操作与数据处理能力。
（2）在探究折射率与介质关系的活动中，能设计简单的实验方案，通过对比不同介质中的折射现象，归纳折射率的特性，培养科学探究的严谨性与创新性。
4.科学态度与社会责任
（1）通过了解折射现象在生活、科技中的应用（如光纤通信、显微镜、海市蜃楼等），认识物理学与生产生活的紧密联系，激发对物理学科的学习兴趣。
（2）在实验探究过程中，培养实事求是的科学态度，尊重实验数据，乐于与同伴合作交流，共同解决探究中遇到的问题。
（3）结合光纤通信等科技成果，体会物理学对推动社会发展的重要作用，增强科技自信与社会责任感。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）光的折射定律的理解与应用，包括定律的定性结论与定量关系，能运用定律进行光路分析与角度计算。
（2）折射率的物理意义与定义式的应用，明确折射率与光在介质中传播速度的关系。
（3）光的折射现象的解释与光路作图规范。
2.教学难点
（1）光的折射定律中“入射角的正弦与折射角的正弦成正比”的定量关系的推导与理解，突破“入射角与折射角成正比”的思维误区。
（2）折射率的物理意义的深化理解，明确折射率是介质本身的属性，与入射角、折射角无关。
（3）复杂情境下的折射问题分析，如多介质界面的光路计算、结合生活实例的折射现象解释。
三、教学环节
（一）情境导入：激发认知冲突
1.展示两组生活情境图片与视频：①渔民叉鱼时“叉向鱼的下方”才能叉到鱼；②将筷子斜插入盛水的玻璃杯中，筷子“向上弯折”；③雨后天空出现的彩虹。
2.提出问题链引导思考：“为什么渔民不直接叉向看到的鱼的位置？”“筷子在水中真的弯折了吗？”“彩虹的形成与光的传播有什么关系？”
3.回顾旧知：引导学生回忆光的直线传播与反射定律，明确“光在同种均匀介质中沿直线传播”，而上述现象均发生在“光从一种介质进入另一种介质”的过程中，从而引出课题——光的折射。
设计意图：通过生活中熟悉的现象制造认知冲突，激发学生的探究欲望，同时建立新旧知识的联系，为新知学习铺垫。
（二）新知探究一：光的折射现象与基本概念
1.演示实验：利用激光笔、透明水槽、白色光屏等器材，演示光从空气斜射入水中的现象，引导学生观察：激光笔发出的光线在空气与水的分界面处，除了有部分光线反射回空气（反射光线），还有部分光线进入水中并改变传播方向（折射光线）。
2.概念构建：结合光路图，逐一明确以下概念：
（1）入射光线：射向两种介质分界面的光线（用实线表示，标箭头指向界面）；
（2）折射光线：从两种介质分界面射入第二种介质的光线（用实线表示，标箭头指向第二种介质）；
（3）法线：过入射点垂直于两种介质分界面的虚线；
（4）入射角（i）：入射光线与法线的夹角；
（5）折射角（r）：折射光线与法线的夹角。
3.即时反馈：让学生在练习本上绘制光从水斜射入空气的光路图，并标注出各概念，教师巡视指导，纠正标注不规范的问题（如将入射角标为入射光线与界面的夹角）。
（三）新知探究二：探究光的折射定律
1.提出探究问题：光从一种介质斜射入另一种介质时，折射光线、入射光线与法线之间存在怎样的关系？入射角与折射角之间有什么定量规律？
2.实验设计：采用“控制变量法”，利用激光光学实验台（含可旋转的量角器、透明玻璃砖）进行实验，具体步骤：
（1）将玻璃砖放在实验台的白纸上，画出玻璃砖的边界线与法线，确定入射点；
（2）固定激光笔的位置，使入射光线以一定的入射角（如10°）射向入射点，在玻璃砖的另一侧确定折射光线的出射点，画出折射光线；
（3）改变入射角（依次为20°、30°、40°、50°、60°），重复上述实验，记录每次的入射角i与折射角r；
（4）将实验数据填入表格，并计算每次实验中sini与sinr的比值。
3.数据处理与分析：
（1）定性分析：引导学生观察光路图，得出结论①：折射光线与入射光线、法线在同一平面内（将光屏向后折转，无法观察到折射光线，证明共面性）；结论②：折射光线与入射光线分别位于法线两侧（异侧性）。
（2）定量分析：展示学生的实验数据表格（示例如下），引导学生计算sini/sinr的比值，发现其比值基本恒定（误差范围内）。
实验次数 入射角i/° sini 折射角r/° sinr sini/sinr
1 10 0.1736 7 0.1219 1.424
2 20 0.3420 13 0.2250 1.520
3 30 0.5000 19 0.3256 1.536
4 40 0.6428 25 0.4226 1.521
（3）归纳定律：结合定性与定量结论，总结光的折射定律（斯涅尔定律）：①折射光线、入射光线和法线在同一平面内；②折射光线和入射光线分别位于法线两侧；③入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即sini/sinr=n（n为比例常数，与两种介质的种类有关）。
4.误区辨析：通过实验数据对比，明确“入射角与折射角成正比”的错误性（如入射角从10°增至20°，折射角从7°增至13°，并非两倍关系，而sini/sinr基本恒定），强化对定律定量关系的准确理解。
（四）新知探究三：折射率
1.定义引入：结合探究实验中“sini/sinr=常数”的结论，指出该常数反映了光从一种介质进入另一种介质时的偏折程度，由此定义“折射率”：光从真空射入某种介质时，入射角的正弦与折射角的正弦的比值，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n表示。
2.公式与单位：
（1）定义式：n=sini/sinr（i为光在真空中的入射角，r为光在介质中的折射角）；
（2）补充公式：结合光速与折射率的关系，给出n=c/v（c为光在真空中的传播速度，c=3×10 m/s；v为光在该介质中的传播速度）；
（3）单位：折射率是比值定义的物理量，无单位。
3.物理意义：引导学生分析n=c/v，得出结论：折射率越大，光在介质中的传播速度越小，光从真空射入该介质时的偏折程度越大（如玻璃的折射率n≈1.5，水的n≈1.33，说明光在水中的传播速度比在玻璃中大，从空气射入玻璃时的偏折程度比射入水时大）。
4.常见介质的折射率：展示表格，明确“真空的折射率n=1，空气的折射率近似为1，其他介质的折射率均大于1”，强化“折射率是介质本身属性”的认知（与入射角、折射角无关，仅由介质种类和光的频率决定）。
介质 折射率 介质 折射率
真空 1 玻璃 1.5~1.6
空气 约1.0003 水晶 1.55
水 1.33 金刚石 2.42
（五）新知应用：解决实际问题
1.解释导入情境：引导学生运用折射定律解释“筷子弯折”现象——光从水中斜射入空气时，折射角大于入射角，折射光线远离法线，人眼逆着折射光线看去，看到的是筷子的虚像，虚像的位置比实际位置偏高，因此感觉筷子“向上弯折”。同理解释渔民叉鱼的原理，强化“理论联系实际”的能力。
2.光路作图示范：以“光从空气斜射入玻璃，再从玻璃斜射入空气”为例，示范光路图的绘制步骤：①画出两种介质的分界面与法线；②根据入射点确定入射光线，标注入射角；③根据折射定律确定第一次折射的折射光线（折射角小于入射角）；④以第二次入射点为起点，确定从玻璃射入空气的折射光线（折射角大于入射角，且最终的出射光线与初始入射光线平行），强调“光路可逆性”在作图中的应用。
3.角度计算示例：已知光从空气（n ≈1）射入水中（n =1.33），入射角i=30°，求折射角r。解题步骤：①明确已知条件：n =1，n =1.33，i=30°；②根据折射定律，光从空气射入水中时，n =sini/sinr；③代入数据：sinr=sini/n =sin30°/1.33≈0.5/1.33≈0.376；④查三角函数表得r≈22°，规范书写解题过程。
（六）核心知识归纳：构建知识体系
1.折射现象：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象（垂直入射时传播方向不变，折射角=入射角=0°）。
2.折射定律：三线共面、两线异侧、sini/sinr=常数。
3.折射率：
（1）定义：光从真空射入介质时，sini/sinr的比值；
（2）公式：n=sini/sinr=c/v；
（3）特性：介质本身属性，n≥1，与光速成反比。
4.应用：光路作图、角度计算、解释生活现象（叉鱼、筷子弯折、彩虹等）。
四、课堂练习与答案解析
1.基础概念题
（1）下列关于光的折射现象的说法中，正确的是（）
A.光从一种介质射入另一种介质时，传播方向一定改变
B.折射光线与入射光线一定在同一平面内
C.折射角一定小于入射角
D.光的折射现象中，光路是不可逆的
（2）光从空气斜射入玻璃中，已知空气的折射率n =1，玻璃的折射率n =1.5，若入射角为60°，则折射角的正弦值为（）
A.√3/3B.√3/2C.√3/4D.1/2
（3）请画出光从水斜射入空气时的光路图，并标注入射光线、折射光线、法线、入射角i和折射角r。
2.能力应用题
（4）某同学在做“探究光的折射规律”实验时，将激光笔从空气射入某种透明液体中，测得实验数据如下表所示。请根据数据计算该液体的折射率（结果保留两位小数），并分析实验数据中sini/sinr的比值略有差异的原因。
实验次数 入射角i/° 折射角r/°
1 20 13
2 30 19
3 40 25
4 50 30
（5）雨后天空出现的彩虹是光的折射与色散现象的结合。已知太阳光由不同频率的光组成，不同频率的光在水中的折射率不同（频率越高，折射率越大）。请结合光的折射定律，解释彩虹呈现弧形且外侧为红色、内侧为紫色的原因。
（6）如图所示，一束光从空气射入直角三角形玻璃砖（折射率n=1.5），入射点为O，入射角i=45°，玻璃砖的直角边AB与BC垂直，AB边与空气接触，BC边与光屏接触。请画出光在玻璃砖内的折射光线及从BC边射出后的光线，并计算从BC边射出时的折射角（计算结果保留一位小数，sin45°≈0.707，sin60°≈0.866）。
3.拓展思考题
（7）光从光密介质（折射率大的介质）射入光疏介质（折射率小的介质）时，若入射角逐渐增大，折射角会如何变化？当入射角增大到某一角度时，可能出现什么特殊现象？这一现象在生活或科技中有哪些应用？
五、练习答案与解析
1.基础概念题答案与解析
（1）答案：B
解析：A选项错误，光垂直射入两种介质分界面时，传播方向不变；B选项正确，符合折射定律“三线共面”的结论；C选项错误，光从光疏介质射入光密介质时折射角小于入射角，从光密介质射入光疏介质时折射角大于入射角；D选项错误，光的折射现象中光路可逆。
（2）答案：A
解析：光从空气（光疏介质）射入玻璃（光密介质），根据折射率定义式n=sini/sinr，可得sinr=sini/n=sin60°/1.5=(√3/2)/1.5=√3/3，故A选项正确。
（3）答案：光路图如下（文字描述）：①画出水平的分界面（水与空气的界面），过界面上的入射点画出竖直的法线（虚线）；②从水下画入射光线（实线，箭头指向入射点），与法线的夹角为入射角i；③从入射点向空气画折射光线（实线，箭头指向空气），与法线的夹角为折射角r，且r＞i（光从水射入空气，折射角大于入射角）；④标注各光线名称与角度。
2.能力应用题答案与解析
（4）答案：该液体的折射率约为1.52；实验误差原因：①激光笔入射角度的测量误差（量角器读数误差）；②液体表面存在波动，导致分界面不平整；③光路标记时的点迹偏差，导致折射光线绘制不准确。
解析：根据折射率定义式n=sini/sinr，分别计算每次实验的比值：
实验1：sin20°≈0.3420，sin13°≈0.2250，n ≈0.3420/0.2250≈1.52；
实验2：sin30°=0.5，sin19°≈0.3256，n ≈0.5/0.3256≈1.54；
实验3：sin40°≈0.6428，sin25°≈0.4226，n ≈0.6428/0.4226≈1.52；
实验4：sin50°≈0.7660，sin30°=0.5，n ≈0.7660/0.5≈1.53；
取平均值n≈(1.52+1.54+1.52+1.53)/4≈1.52。
（5）答案：①彩虹的形成是太阳光进入空气中的小水滴后，发生折射、反射、再折射的结果。太阳光射入小水滴时，在水滴表面发生第一次折射，不同频率的光因折射率不同而发生色散；②频率越低的光（如红光）折射率越小，折射角越大；频率越高的光（如紫光）折射率越大，折射角越小，因此不同颜色的光在水滴内形成不同的传播路径；③经过水滴内部反射后，光从水滴射出时发生第二次折射，不同颜色的光进一步分离，最终投射到人的眼中；④由于太阳在观测者的背后，小水滴在天空中形成圆弧状分布，不同颜色的光对应不同的折射角度，红光折射角度最小，出现在外侧，紫光折射角度最大，出现在内侧，因此彩虹呈现弧形且颜色由外到内为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
（6）答案：光路图（文字描述）：①画出直角三角形玻璃砖，标注直角边AB（水平）、BC（竖直），直角顶点为B；②在AB边上确定入射点O，画出水平向右的入射光线（空气→玻璃砖），过O点画垂直于AB的法线（竖直虚线），入射角i=45°；③根据折射定律n=sini/sinr ，计算玻璃砖内的折射角r ：sinr =sini/n=sin45°/1.5≈0.707/1.5≈0.471，r ≈28.1°，画出折射光线（从O点指向玻璃砖内部，与法线夹角为28.1°）；④折射光线到达BC边的入射点O'，过O'点画垂直于BC的法线（水平虚线），计算此时的入射角r ：由于玻璃砖为直角三角形，AB与BC垂直，因此折射光线与BC边的夹角为90°-28.1°=61.9°，则r =90°-61.9°=28.1°；⑤光从玻璃砖（光密介质）射入空气（光疏介质），根据光路可逆，出射角i =45°，画出从O'点射出的光线（指向光屏，与法线夹角为45°）；⑥从BC边射出时的折射角为45.0°。
3.拓展思考题答案与解析
（7）答案：①折射角会随着入射角的增大而增大，且增大的幅度比入射角大；②当入射角增大到某一角度（临界角C）时，折射角达到90°，此时折射光线沿两种介质的分界面传播；若入射角继续增大，折射光线消失，仅存在反射光线，这种现象称为“全反射”；③应用：光纤通信（利用光在光纤内发生全反射，实现光信号的长距离传输）、潜水艇的潜望镜（部分型号利用全反射棱镜改变光路）、露珠上的亮斑（光在露珠内发生全反射）等。
解析：全反射现象的产生需要两个条件：①光从光密介质射入光疏介质；②入射角大于等于临界角。临界角C与介质折射率的关系为sinC=1/n，该关系可由折射定律推导得出（当折射角=90°时，sini=1/n，此时的入射角即为临界角）。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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