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第四章光
第1节光的折射
【素养目标】
1.认识光的反射及折射现象,知道法线、入射角、反射角、折射角的含义。
2.理解反射和折射定律,会利用折射定律解释相关光现象和计算有关问题。
3.理解折射率的概念,会测定玻璃的折射率。
【必备知识】
一、光的反射与折射
1、光的反射和折射
光的反射：光照射到两种介质的界面上,一部分返回原来介质的现象。
光的折射：光照射到两种介质的界面上,除了一部分光返回原介质,还有一部分光会进入另一种介质的现象。
2、入射角与反射角:入射光线与法线的夹角叫入射角,反射光线与法线的夹角叫反射角。
3、反射定律:在光的反射现象中,反射光线、入射光线和法线在同一平面内,且反射光线与入射光线分别位于法线的两侧,反射角等于入射角。
4、折射定律
(1)折射角:折射光线与法线的夹角。
(2)折射定律:在光的折射现象中,折射光线、入射光线、法线在同一平面内,且折射光线与入射光线分别位于法线两侧;入射角的正弦与折射角的正弦成正比,其表达式是=n12。
（3）说明：n12比例常数，与入射角、折射角的大小无关，只与两种介质的性质有关。
5、光路的可逆性：光的折射与光的反射一样,光路是可逆的。
二、折射率
(1)折射率:光由真空射入某种介质发生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比叫这种介质的绝对折射率,简称折射率。
(2)设介质的折射率为n,光在真空中的传播速度为c,在介质中传播的速度为v,它们的关系是n=。
(3)任何介质的折射率都>1。
(4)折射率大小的决定因素：折射率的大小由介质本身及入射光的频率决定，与折射角、入射角的大小无关。
三、实验：测量玻璃的折射率
1、实验目的
掌握测定玻璃折射率的方法。
2、实验原理
用插针法确定光路,找出跟入射光线相对应的折射光线,用量角器测出入射角i和折射角r,根据折射定律计算出玻璃的折射率
=n12
3、实验器材
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔。
4、实验步骤
（1）如图所示,将白纸用图钉钉在平木板上。
（2）在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线),过aa′上的一点O画出界面的法线NN′,并画一条线段AO作为入射光线。
（3）把长方形玻璃砖放在白纸上,使它的长边跟aa′对齐,画出玻璃砖的另一边bb′。
（4）在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线方向直到P2的像挡住P1的像。再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3及P1、P2的像,记下P3、P4的位置。
（5）移去大头针和玻璃砖,过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′,直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。
（6）连接OO′,入射角i=∠AON,折射角r=∠O′ON′,用量角器量出入射角和折射角。
（7）用上述方法测出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角。
5、数据处理
（1）计算法:通过测量入射角和折射角,然后查数学用表,得出入射角和折射角的正弦值,再代入
=n12
中求多次不同入射角时n的值,然后取其平均值,即为玻璃砖的折射率。
（2）图像法:求出多组对应的入射角与折射角的正弦值,作出sini-sinr图像,由
=n12
可知图像应为直线,如图所示,其斜率为折射率。
（3）单位圆法:在不使用量角器的情况下,可以用画单位圆法。
①以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO′于E′点,过E作NN′的垂线EH,过E′作NN′的垂线E′H′,如图所示。
②由图中关系OE=OE′=R则
只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。
【误差分析】
1.入射光线和出射光线画得不够精确。因此,要求插大头针时两大头针间距应稍大。
2.入射角、折射角测量不精确。为减小测角时的相对误差,入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大时,反射光较强,折射光会相对较弱。
【注意事项】
1.实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。
2.入射角i应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角不宜太大。
3.在操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。
4.在实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。
5.玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5
cm以上。若宽度太小,则测量误差较大。
【课堂检测】
1.如图所示，双缝干涉实验装置中，屏上一点P到双缝的距离之差为
，若用单色光A照射双缝时，发现P点正好是从屏中间
算起的第四条暗条纹，换用单色光B照射双缝时，发现P点正好是从屏中间O算起的第三条亮条纹，则下列说法正确的是（???
）
A.?单色光B的频率大于单色光A的频率
B.?单色光B的波长小于单色光A的波长
C.?单色光B的相邻亮条纹间的距离小于单色光A的相邻亮条纹间的距离
D.?用单色光A和B在同一单缝衍射的装置上做实验，在缝宽不变的情况下，单色光B更容易发生明显衍射
【答案】
D
【解析】ABC．由题意可知，单色光A照射双缝时条纹间距较小，根据
可知单色光A的波长较小，频率较大，ABC不符合题意；
D．因单色光B的波长较大，则用单色光A和B在同一单缝衍射的装置上做实验，在缝宽不变的情况下，单色光B更容易发生明显衍射，D符合题意。
故答案为：D。
【分析】利用干涉条纹间距的大小可以比较光的波长和频率的大小；利用波长的大小可以判别衍射现象是否明显。
2.登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损伤视力．有人想用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛伤害的眼镜，他选用的薄膜材料的折射率n＝1.5，所要消除的紫外线的频率ν＝8.1×1014
Hz，那么他设计的这种“增反膜”的厚度至少是(??
)
A.?9.25×10－8
m????????????????B.?1.85×10－7
m????????????????C.?1.23×10－7
m????????????????D.?6.18×10－8
m
【答案】
C
【解析】为了减小紫外线对眼睛的伤害，应使入射光分别从该膜的前后两个表面反射的光叠加后加强，则路程差（大小等于薄膜厚度d的2倍）应等于光在薄膜中的波长λ′的整数倍，即2d=Nλ′（N=1，2，…）．因此，膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的
．紫外线在真空中的波长是λ=
=3.7×10-7?m
在膜中的波长是λ′=
=2.47×10-7?m
故膜的厚度至少是1.23×10-7?m，C符合题意，ABD不符合题意．
故答案为：C．
【分析】本题题型新颖，考查了光的干涉，是典型的物理知识与生活实际相联系的题目，关键理解干涉的原理，明确反射光的光程差是光的波长的整数倍时振动加强．
【素养作业】
1.下列说法正确的是（??
）
A.?单色光在介质中传播时，介质的折射率越大，光的传播速度越小
B.?当光从空气射入玻璃时，蓝光比红光更容易发生全反射
C.?同一个双缝干涉实验中，蓝光产生的干涉条纹间距比红光的大
D.?两束频率不同的光，可以产生干涉现象
【答案】
A
【解析】A．根据
可知，可知单色光在介质中传播时，介质的折射率越大，光的传播速度越小，A符合题意；
B．光从空气射入玻璃时不可能发生全反射现象，B不符合题意；
C．根据双缝干涉条纹间距公式
可知，蓝光的波长小于红光的波长，同一个双缝干涉实验中，蓝光产生的干涉条纹间距比红光的小，C不符合题意；
D．根据光的干涉的条件可知，两束频率不同的光不能产生干涉现象，D不符合题意。
故答案为：A。
2.下列关于光学现象的说法不正确的是（??
）
A.?阳光下水面上的油膜呈现出彩色条纹是光的全反射现象
B.?在城市交通中，用红灯表示禁止通行是因为红光更容易产生衍射
C.?观看3D立体电影时，观众戴的眼镜是应用光的偏振原理制成的
D.?唐诗“潭清疑水浅，荷动知鱼散”中“疑水浅”是由于发生了光的折射
【答案】
A
【解析】A．阳光下水面上的油膜呈现出彩色条纹是由于薄膜厚度不均匀造成的光的干涉现象，A错误，符合题意；
B．在城市交通中，用红灯表示禁止通行是因为红光波长较长，容易发生衍射，穿透雨雾能力较强，传播距离较远的原因，B正确，不符合题意；
C．3D立体电影的成像原理应用了光的偏振，C正确，不符合题意；
D．“疑水浅”是由于光的折射造成的，D正确，不符合题意。
故答案为：A。
3.如图是双缝干涉实验装置的示意图，S为单缝，S1、S2为双缝，P为光屏。用绿光从左边照射单缝S时，可在光屏P上观察到干涉条纹。下列说法正确的是（??
）
A.?减小双缝间的距离，干涉条纹间的距离减小????????B.?将绿光换为红光，干涉条纹间的距离增大
C.?增大双缝到屏的距离，干涉条纹间的距离减小????D.?将绿光换为紫光，干涉条纹间的距离增大
【答案】
B
【解析】A．根据双缝干涉条纹的间距公式
可知，减小双缝间的距离，即
变小，则干涉条纹间的距离增大，A不符合题意；
B．根据双缝干涉条纹的间距公式
可知，将绿光换为红光，波长变长，则干涉条纹间的距离增大，B符合题意；
C．根据双缝干涉条纹的间距公式
可知，增大双缝到屏的距离，即
增大，则干涉条纹间的距离增大，C不符合题意；
D．根据双缝干涉条纹的间距公式
可知，将绿光换为紫光，波长变短，则干涉条纹间的距离减小，D不符合题意；
故答案为：B。
4.分析下列所描述的三个物理现象：①目测游泳池中水的深度比其实际深度要浅；②夏天里一次闪电过后，有时会雷声轰鸣不绝；③围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音。这些现象分别是波的（??
）
A.?反射现象、折射现象、干涉现象?????????????????????????B.?折射现象、反射现象、干涉现象
C.?反射现象、干涉现象、折射现象?????????????????????????D.?折射现象、干涉现象、反射现象
【答案】
B
【解析】目测游泳池中水的深度比其实际深度要浅，是因为池底的光反射光到达水面时，发生折射进入人的眼睛，人眼按照光沿直线传播看到的是池底的虚像，要比实际的深度要浅；夏天里一次闪电过后，有时会雷声轰鸣不绝，是因为声音在云层之间来回反射造成的；围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音，是因为音叉发出两个频率相同的声波相互叠加，出现加强区和减弱区，这是干涉现象。
故答案为：B。
5.在双缝干涉实验中，用波长为5×10-7m的黄光照射双缝。已知两缝间的间距为0.3mm，双缝到光屏的距离为1.2m，光屏上P点到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7m，则下列说法中正确的是（??
）
A.?P点出现的是亮条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2mm
B.?P点出现的是暗条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为2mm
C.?P点出现的是亮条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4mm
D.?P点出现的是暗条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为4mm
【答案】
B
【解析】光屏上P点到双缝S1和S2的路程差为7.5×10-7m，黄光的波长为5×10-7m
，则
为奇数，在P点出现暗条纹，相邻两个亮条纹或暗条纹的中心间距为
B符合题意，ACD不符合题意。
故答案为：B。
6.如图所示的四种明暗相间的条纹分别是红光、黄光各自通过同一个双缝干涉仪器形成的干涉图样以及绿光、紫光各自通过同一个单缝形成的衍射图样(黑色部分表示亮纹)。在下面的四幅图中从左往右排列，亮条纹的颜色依次是（??
）
A.?黄绿红紫???????????????????????????B.?黄紫红绿???????????????????????????C.?红紫黄绿???????????????????????????D.?红绿黄紫
【答案】
C
【解析】双缝干涉的图样是明暗相间的干涉条纹，所有条纹宽度相同且等间距，A、c两个是双缝干涉现象，根据双缝干涉条纹间距
可以知道波长λ越大，Δx越大，A是红光，c是黄光；单缝衍射条纹是中间明亮且宽大，越向两侧宽度越小越暗，而波长越大，中央亮条纹越粗，B、d是单缝衍射图样，b为紫光的单缝衍射图样，d为绿光单缝衍射图样；故从左向右依次是红光（双缝干涉）、紫光（单缝衍射）、黄光（双缝干涉）和绿光（单缝衍射）。
故答案为：C。
7.用单色光做双缝干涉实验，屏上出现了明暗相间的条纹，则（??
）
A.?中间的亮条纹宽，两侧的亮条纹越来越窄???????????B.?中间的亮条纹窄，两侧的亮条纹越来越宽
C.?遮住一条缝后，屏上仍有明暗相间的条纹???????????D.?若改用白光做实验，不能获得干涉条纹
【答案】
C
【解析】AB．根据双缝干涉条纹的间距公式
可知同种光的条纹间距相等，AB不符合题意；
C．若把其中一缝遮住，会发生单缝衍射现象，所以仍出现明暗相间的条纹，C符合题意；
D．用白光做实验，也能获得干涉条纹，屏中央为白色亮条纹，两侧为不等间距的彩色条纹，D不符合题意。
故答案为：C。
8.如图所示，在一块平板玻璃上放置一平凸薄透镜，在两者之间形成厚度不均匀的空气膜，让一束单色光垂直入射到该装置上，结果在上方观察到同心圆环状干涉条纹，称为牛顿环。以下说法正确的是（??
）
A.?干涉现象是凸透镜下表面反射光和凸透镜上表面反射光叠加形成的
B.?干涉现象是凸透镜上表面反射光和玻璃上表面反射光叠加形成的
C.?形成的干涉条纹是不等间距的
D.?若将该装置放到真空中观察，就无法看到牛顿环
【答案】
C
【解析】解：AB、凸透镜下表面与玻璃上表面形成空气薄膜层，干涉现象是由于凸透镜下表面反射光和玻璃上表面反射光干涉叠加而成，AB不符合题意；
C、干涉条纹不等间距是由于透镜表面是曲面，使得空气层的厚度不是均匀变化，当光程差nλ（n＝0，1，2…）会出现亮条纹，因此在相邻的亮条纹之间，它们对应的水平距离越来越小，从而观察到牛顿环纹是内疏外密圆环状的条纹，C符合题意；
D、若将该装置放到真空中观察，仍能看到牛顿环，D不符合题意。
故答案为：C

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