资源简介

4.1　光的折射定律
【学习目标】
1.通过任务1及其活动，认识光的折射现象，知道法线、入射角、折射角的含义及折射的规律。(物理观念、科学探究)
2.通过任务2及其活动，建构折射率的概念，会计算不同物质的折射率，能解释相关现象。(物理观念、科学思维)
【自主预习】
思考并回答问题。
思考1：光在折射过程中是否有规律，具体规律有哪些


思考2：
如图所示，有经验的渔民叉鱼时，不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到鱼的下方叉。你知道这是为什么吗

正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)光从一种介质进入另一种介质时传播方向一定会变化。 (　　　)
(2)介质的密度越大，其折射率一定越大。 (　　　)
(3)光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角。 (　　　)
(4)在光的折射现象中，光路是不可逆的。 (　　　)
(5)折射率随入射角增大而增大。 (　　　)
(6)介质的折射率越大，光在这种介质中的传播速度越小。 (　　　)
【合作探究】
任务1　光的折射与折射定律
实验演示： 将勺子斜插入水中。
实验探究：将半圆形玻璃砖固定在光反射、折射演示仪上，研究入射角与折射角的关系。
在光反射、折射演示仪上找出分界面、法线、入射光线、折射光线、
入射角和折射角。先定性观察光从空气斜射入玻璃中时入射角与折射角的关系，改变入射角的大小，观察折射角的变化，定性分析入射角与折射角的大小关系。再定量测量几组入射角与折射角(光从空气射入玻璃)，组织学生分析数据。
　　数据　物理量 次数　　　　　 入射角i sin i 折射角γ sin γ
1
2
3
4
5
1.入射光线、折射光线和法线的位置关系是怎样的


2.猜想可能的函数关系，并想办法验证。


3.验证假设——修正猜想，得出初步结论。


折射定律：折射光线与入射光线和法线在①　　　内，折射光线与入射光线分别位于法线的②　　　；入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即③　　　　 ，式中n12是比例常数。
活动　解释现象
在潜水员看来，岸上的所有景物都会出现在一个倒立的圆锥里，这是为什么呢


应用　光线判断
一束光从空气射向某介质在界面上发生反射和折射现象的光路图如图所示，下列判断正确的是 (　　　)
A.AO为入射光线，OB为反射光线，OC为折射光线
B.BO为入射光线，OC为反射光线，OA为折射光线
C.CO为入射光线，OB为反射光线，OA为折射光线
D.条件不足，无法确定
入射光线与反射光线有什么几何关系 入射光线与折射光线也存在这种几何关系吗

任务2　介质的折射率
用激光笔射出的激光以相同的入射角从空气中分别斜射到水面和光滑玻璃表面，比较光在水中和玻璃中的折射现象。
1.当光以相同的入射角从空气中分别斜射到水面和光滑玻璃表面时，你观察到了什么现象 该现象说明了什么


2.在物理学上，为了表示不同介质的光学性质，引入了一个怎样的物理量 它是怎样定义的


3.光从真空射入水和玻璃等不同介质时，入射角相同的情况下(不为零)，折射率越大，光的偏折情况如何 折射角有什么不同


4.光从一种介质射入另一种介质，光的传播方向发生了偏折，光的传播速度是否发生了变化 光在介质中的传播速度与介质的折射率有怎样的关系


1.光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比，叫作这种介质的④　　　，简称⑤　　　。
2.折射率用符号n表示。n=⑥　　　　 。
3.折射率是一个反映介质⑦　　　的物理量。n越大，光线从真空射入这种介质时偏折的角度越⑧　　　。
4.不同介质的折射率往往⑨　　　。
5.光在介质中的传播速度v=⑩　　　　 。
应用1　光的传播速度与折射率的关系
光刻机是生产大规模集成电路(芯片)的核心设备，光刻机的曝光波长越短，分辨率越高。“浸没式光刻”是一种通过在光刻胶和投影物镜之间加入浸没液体，从而减小曝光波长提高分辨率的技术。如图所示，若浸没液体的折射率为1.40，当不加液体时光刻胶的曝光波长为189 nm，则加上液体时光在液体中的传播速度为　　　m/s，光刻胶的曝光波长变为　　　nm。(光在真空中的传播速度c=3.0×
108 m/s，计算结果均保留3位有效数字)
光由空气射入液体，光的频率、传播速度会变化吗 折射率与光的传播速度有怎样的关系


应用2　折射定律的应用
如图所示，人站在距槽边D为l=1.2 m处，刚好能看到槽底的B位置，人眼距地面的高度H=1.6 m，槽中注满某种透明液体时，人刚好能看到槽底中央O点处。光在真空中的传播速度c=3.0×108 m/s，求：
(1)该液体的折射率。
(2)光在该液体中的传播速度。(计算结果保留3位有效数字)
(1)如何理解题中“刚好能看到”
(2)根据题意作出光路图。

【归纳总结】
　　用光的折射定律解题的一般思路：
(1)根据入射角、折射角及反射角之间的关系，作出比较完整的光路图。
(2)充分利用光路图中的几何关系，确定各角之间的联系，根据折射定律求解相关的物理量(折射角、折射率等)。
(3)注意在折射现象中，光路是可逆的。
【随堂检测】
1.(任务1)下列说法正确的是 (　　　)
A.光只有照射在两种介质的平整界面上才能发生反射现象
B.反射现象中入射光线和反射光线不可能相互垂直
C.光从一种介质进入另一种介质时，一定会发生偏折
D.光从真空进入某种介质后，传播速度要减小
2.(任务1)(原创)通过前面的学习我们知道，有经验的渔民捕鱼时不是正对着看到的鱼去叉，而是对着所看到鱼的下方叉。在水中有一种射水鱼，它在水中看到水面上方的树枝上停留的昆虫等猎物后，便向猎物射水，则射水鱼看到的小昆虫比小昆虫的实际位置 (　　　)
A.更高 B.更低
C.一样高 D.都有可能
3.(任务2)(多选)有一束单色光从介质A射入介质B，再由介质B射入介质C，如图所示。根据图中所给的信息判断，下列说法正确的是 (　　　)
A.介质B的折射率最大
B.介质C的折射率最大
C.光在介质B中的速度最大
D.光在介质C中的速度最大
4.(任务2)人造树脂是常用的眼镜镜片材料。如图所示，光线射在一人造树脂立方体上，经折射后，射在桌面上的P点。已知光线的入射角为30°，OA=5 cm，AB=20 cm，BP=12 cm。求该人造树脂材料的折射率n。(结果保留2位有效数字)
参考答案
自主预习·悟新知
思考1：折射定律，折射光线与入射光线、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=n12。
思考2：
鱼反射的光线由水中进入空气时，在水面上发生折射，折射角大于入射角，折射光线进入人眼，人眼逆着折射光线的方向看去，就会觉得鱼变浅了，眼睛看到的是鱼的虚像，在鱼的上方，所以叉鱼时要瞄准像的下方，如图所示。
判断　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√
合作探究·提素养
任务1
问题引领
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的两侧。
2.如成正比、反比……再计算验证。
3.入射角的正弦sin i和折射角的正弦sin γ之比为定值。
知识生成　①同一平面　②两侧　③=n12
应用探究
活动　【提示】岸上所有景物发出的光，射向水面的入射角都分布在0~90°之间，射入水中的折射角在0~临界角C(最大折射角)之间，所以岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里，如图所示。
例1　【答案】C
【提示】入射光线与反射光线关于法线对称，入射光线与折射光线不存在这种几何关系。
【解析】法线与界面垂直，根据反射角等于入射角，折射光线和入射光线位于法线两侧，可知CO为入射光线，OB为反射光线，OA为折射光线，C项正确。
任务2
问题引领
1.当光以相同的入射角从空气中分别斜射到水面和光滑玻璃表面时，观察到光在水中和玻璃中的折射角不同，该现象说明不同介质的光学性质是不一样的。
2.在物理学上，为了表示不同介质的光学性质，引入了“折射率n”这一物理量，即当光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值，叫作这种介质的折射率。
3.折射率越大，光线偏折得越厉害，折射角越小。
4.光在不同介质中的传播速度不同，这也正是光从一种介质射入另一种介质时光的传播方向发生偏折的原因。某种介质的折射率n，等于光在真空中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v的比值，即n=。
知识生成　④绝对折射率　⑤折射率　⑥　⑦光学特性　⑧大　⑨不同　⑩
应用探究
例2　【答案】2.14×108　135
【提示】光由空气射入液体，光的频率不变，传播速度变小；折射率与光的传播速度间的关系式是n=。
【解析】光在液体中的传播速度v== m/s≈2.14×108 m/s，加上液体时光刻胶的曝光波长λ=，不加液体时，有c=λ0f，联立可得λ==·== nm=135 nm。
例3　【提示】(1)“刚好能看到”表明光线是经D点的临界线。(2)图略。
【解答】(1)光路如图所示
sin θ1===0.6
设槽深为h，宽为d，则由几何关系可知
==
所以sin θ2=
解得sin θ2≈0.35
所以液体的折射率
n=≈1.71。
(2)光在液体中的传播速度
v=≈1.75×108 m/s。
随堂检测·精评价
1.D　【解析】两种不同介质的任何界面上都能发生反射现象，当入射角等于45°时，入射光线和反射光线是相互垂直的，A、B两项错误；当光线沿法线方向射入另一种介质中时，光线方向不发生改变，C项错误；如果光线从真空进入某种介质时，传播速度一定减小，因为空气和真空折射率认为相等且等于1，其他介质的折射率都大于1，D项正确。
2.A　【解析】人看鱼儿时，光从水中进入空气，折射角大于入射角，人沿折射光线反方向看过去，看到的“鱼儿”的位置比鱼儿的实际位置更高，而当射水鱼看小昆虫时，入射光线从空气进入水中，折射角小于入射角，射水鱼沿折射光线反方向看过去，看到的小昆虫的位置比小昆虫的实际位置更高，A项正确。
3.BC　【解析】光线由介质A进入介质B时，根据光路图可知，A的折射率大于B的折射率；光由介质B进入介质C时，根据光路图可知，B的折射率小于C的折射率。所以介质B的折射率最小，光在其中传播的速度最大。不妨设B为真空，则A的折射率nA=≈1.225，C的折射率nC=≈1.732， 可知C的折射率最大。综上可知，B、C两项正确。
4.【解答】设折射角为r，由折射定律n=，其中i=30°
由几何关系知
sin r=，且OP=
代入数据解得n=1.5。

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