浙江省2018-2019版高中物理 第十三章 光 第1课时 光的反射和折射学案 新人教版选修3-4.doc

第1课时光的反射和折射 研究选考把握考情知识内容光的反射和折射考试要求加试c教学要求1.知道光在反射与折射时光路可逆2.掌握光的反射与折射定律 3.知道折射率的定义和表达式，知道折射率的决定因素说明不要求引入相对折射率的概念知识点一反射定律和折射定律 基 础 梳 理1.光的反射及反射定律 (1)光的反射：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质的现象。(2)反射定律：反射光线与入射光线、法线处在同一平面内，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。2.光的折射及折射定律 (1)光的折射：光从第1种介质射到它与第2种介质的分界面时，一部分光会进入第2种介质的现象。(2)入射角、折射角入射角：入射光线与法线间的夹角。折射角：折射光线与法线间的夹角。(3)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。3.与光的反射现象一样，在光的折射现象中，光路也是可逆的。即 学 即 练关于光的反射与折射现象，下列说法正确的是()A.光发生反射时，光的传播方向一定改变B.光发生反射时，光的传播方向可能偏转90C.光发生折射时，一定伴随着反射D.光发生折射时，光的传播方向可能偏转90解析由光的反射定律可知，反射角等于入射角，不管入射角多大，光发生反射时，光的传播方向都要改变，选项A正确；光发生反射时，当入射角等于45时，光的传播方向偏转90，选项B正确；光从一种介质射到两种介质的分界面时，一定有部分光发生反射，选项C正确；光发生折射时，光的传播方向偏转一定小于90，选项D错误。答案ABC知识点二折射率基 础 梳 理1.定义：光从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，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，用符号n表示。2.折射率与光速的关系：某种介质的折射率，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之比，即n。3.任何介质的折射率n都大于1。要 点 精 讲要点1对折射率的理解(1)折射率是一个反映介质的光学性质的物理量，其大小由介质本身及入射光的频率决定，与入射角、折射角的大小无关。(2)应用n计算介质的折射率时，注意1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；2为介质中光线与法线的夹角，也不一定为折射角。【例1】 关于折射率，下列说法正确的是()A.根据n12可知，介质的折射率与入射角的正弦成正比B.根据n12可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比C.根据n可知，介质的折射率与光在该介质中的传播速度成反比D.同一频率的光由真空进入某种介质时，折射率与波长成反比解析介质的折射率是一个反映介质光学性质的物理量，由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角无关，故选项A、B均错；由于真空中的光速是个定值，故n与v成反比是正确的，这也说明折射率与光在该介质中的传播速度是有联系的，选项C正确；由于vf，当f一定时，v与成正比，又n与v成反比，故n与也成反比，选项D正确。答案CD名师点睛折射率n反映了介质的光学性质，它的大小只由介质本身和入射光的频率决定，与入射角和折射角的大小无关 ，切不可认为n与入射角的正弦成正比，与折射角的正弦成反比。【跟踪训练1】 如图1所示，在空气中有一直角棱镜ABC，A30，一束单色光从AB边射入棱镜，入射角为45，垂直于BC边射出，则该棱镜的折射率为()图1A. B. C.1.5 D.解析由图中几何关系可知光在AB界面的折射角为30，故其折射率n，B正确。答案B要点2解决光的折射问题的基本思路(1)根据题意画出正确的光路图。(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、折射角是入射光线、折射光线与法线的夹角。(3)利用折射定律n、折射率与光速的关系n列方程，结合数学三角函数的关系进行计算。【例2】 一半径为R的球体放置在水平面上，球体由折射率为的透明材料制成。现有一束位于过球心O的竖直平面内的光线，平行于桌面射到球体表面上，折射入球体后再从竖直表面射出，如图2所示。已知入射光线与桌面的距离为R。求出射角。图2解析设入射光线与球体的交点为C，连接OC，OC即入射点的法线。因此，图中的角为入射角。过C点作球体竖直表面的垂线，垂足为B。依题意，OCB。又由OBC知sin 设光线在C点的折射角为，由折射定律得由式得30由几何关系知，光线在球体的竖直表面上的入射角为30。由折射定律得因此sin ，解得：60。答案60名师点睛在解决光的折射问题中正确画出光路图是前提，利用几何关系确定边、角关系是关键。知识点三实验：测定玻璃的折射率要 点 精 讲操作指要1.将白纸用图钉固定在绘图板上。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挡住P1的像。再在观察的这一侧插两枚大头针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OB，与bb交于O，直线OB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AON，折射角OON。用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中。7.用上述方法分别求出入射角分别为30、45、60时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中。8.算出不同入射角时的比值，最后求出在几次实验中所测的平均值，即为玻璃砖折射率的测量值。【例3】 (201711月浙江选考考试，21)在“测定玻璃的折射率”实验时，(1)下列做法正确的是_。A.入射角越大，误差越小B.在白纸上放好玻璃砖后，用铅笔贴着光学面画出界面C.实验时既可用量角器，也可用圆规和直尺等工具进行测量D.判断像与针是否在同一直线时，应该观察大头针的头部(2)小明同学在插针时玻璃砖的位置如图3所示，根据插针与纸上已画的界面确定入射点与出射点，依据上述操作所测得的折射率_(填“偏大”“偏小”或“不变”)。图3(3)小明同学经正确操作后，在纸上留下四枚大头针的位置P1、P2、P3和P4，AB和CD是描出的玻璃砖的两个边，如图所示，请在答题纸上画出光路图。解析(1)本实验在应用插针法时，角度不宜过大，否则很难确定折射角，选项A错误；在实验前，用铅笔贴着光学面画出玻璃砖的上、下表面，可能会损坏光学面，应该铅笔贴着上、下表面各选两个点，拿走玻璃砖画出界面，选项B错误；本实验通过n，也可以通过画圆，通过sin ，sin 2，故n，将角度的正弦之比转化为对边之比，所以选项C正确；在观察是否在一条直线时，应该观察大头针底部，所以D错误。(2)如右图，实线部分为插针时玻璃砖所在位置，即真实情况，设此时入射角和折射角分别为1、2，折射率真实值为n，则n；虚线部分为处理数据时玻璃砖所在位置，设玻璃砖转过角度为，折射率测量值为n，n，故n<n，折射率偏小。(3)光路图如图所示。答案(1)C(2)偏小(3)见解析图【跟踪训练2】 在测定玻璃的折射率的实验中，某同学由于没有量角器，他在完成了光路图后，以O点为圆心，10 cm为半径画圆，分别交线段OA于A点，交线段OO的延长线于C点，过A点作法线NN的垂线AB交NN于B点，过C点作法线NN的垂线CD交NN于D点，如图4所示。用刻度尺量得OB8 cm，CD4 cm，由此可得出玻璃的折射率n_。图4解析由题图可知sinAOB，sinDOC，OAOCR，根据n知，n1.5答案 1.51.把用相同玻璃制成的厚度为d的正方体a和半径亦为d的半球体b，分别放在报纸上，且让半球的凸面向上。从正上方分别观察a、b中心处报纸上的字，下面的观察记录中正确的是()图5A.a中的字比b中的字高B.b中的字比a中的字高C.一样高D.a中的字较没有玻璃时的高，b中的字和没有玻璃时的一样解析如图所示，放在b中的字反射的光线经半球体向外传播时，传播方向不变，故人看到字的位置是字的真实位置。而放在a中的字经折射，人看到的位置比真实位置要高。答案AD2.一条光线从空气射入折射率为的介质中，入射角为45，在界面上入射光的一部分被反射，另一部分被折射，则反射光线和折射光线的夹角是()A.75 B.90 C.105 D.120解析如图所示，根据折射定律n，则sin 2，230，反射光线与折射光线的夹角1804530105，C正确。答案C3.如图6所示，一储油圆桶，底面直径与桶高均为d，当桶内无油时，从某点A恰能看到桶底边缘上的某点B，当桶内油的深度等于桶高的一半时，在A点沿AB方向看去，看到桶底上的C点，C、B相距d。由此可得油的折射率n_；光在油中传播的速度v_m/s。(结果可用根式表示)图6解析作出光路图如图所示。由题意知，sin ，sin ，故油的折射率n，光在油中传播的速度v6107 m/s。答案61074.在用三棱镜测定玻璃折射率的实验中，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插入两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图7所示。图7(1)在本题的图上画出所需的光路；(2)为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是_，_，在图上标出它们；(3)计算折射率的公式是_。解析(1)如图所示，画出通过P1、P2的入射光线，交AC面于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O。则光线OO就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线。(2)在所画的图上注明入射角1和折射角2，并画出虚线部分，用量角器量出1和2。(3)n。答案见解析一、选择题(在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。)1.关于光的折射现象，下列说法正确的是()A.光的传播方向发生改变的现象叫光的折射B.光由一种介质进入另一种介质，传播方向一定改变C.人观察盛水容器的底部，发现水变浅了D.光从空气射入液体中，它的传播速度一定增大答案C2.光在某种玻璃中的传播速度是108 m/s，要使光由玻璃射入空气时折射光线与反射光线成90夹角，则入射角应是()A.30 B.60 C.45 D.90解析依题意作出光路图如图所示。折射角：290901，玻璃的折射率：n。由折射定律知：nsin 1sin 2，sin(901)cos 1，即tan 1，得130。故选项A正确。答案A3.如图1所示是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，下列判断中正确的是()图1A.AO是入射光，OB为反射光，OC为折射光B.BO是入射光，OC为反射光，OA为折射光C.CO是入射光，OB为反射光，OA为折射光D.条件不足，无法确定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。答案C4.井口大小和深度相同的两口井，一口是枯井，一口是水井(如图2所示，水面在井口之下)，两井底部各有一只青蛙，则()图2A.水井中的青蛙觉得井口大些，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星B.枯井中的青蛙觉得井口大些，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星C.水井中的青蛙觉得井口小些，晴天的夜晚，枯井中的青蛙能看到更多的星星D.两只青蛙觉得井口一样大，晴天的夜晚，水井中的青蛙能看到更多的星星解析这是一道典型的视野问题，解决视野问题的关键是确定边界光线和确定是谁约束了视野等。如本题中由于井口边沿的约束，而不能看到更大的范围，据此作出边界光线如图所示。由图可看出，所以水井中的青蛙觉得井口小些；，所以水井中的青蛙可看到更多的星星，故选项B正确，A、C、D错误。答案B5.光从空气斜射进入介质中，比值常数，这个常数()A.与介质有关B.与光在介质中的传播速度有关C.与入射角的大小无关D.与入射角的正弦成正比，跟折射角的正弦成反比解析介质的折射率与介质有关，与入射角无关，介质对光的折射率n，选项D错误，选项A、B、C正确。答案ABC6.如图3所示为地球及其大气层，高空有侦察卫星A接收到地球表面P处发出的光信号，则A感知到的发光物应在()图3A.图中P点B.图中P点靠M的一侧C.图中P点靠N的一侧D.以上位置都有可能解析由于大气层的存在，侦察卫星在A处接收到的P处发出的光信号的光路大致如图中实线所示，由图可知选项B正确，A、C、D错误。答案B7.如图4所示，光在真空和某介质的界面MN上发生偏折，那么()图4A.光是从真空射入介质B.介质的折射率是1.73C.光在介质中的传播速度为1.73108 m/sD.反射光线与折射光线的夹角是90答案BCD8.两束不同频率的单色光a、b从空气平行射入水中，发生了如图5所示的折射现象()。下列结论中正确的是()图5A.在水中的传播速度，光束a比光束b大B.在水中的传播速度，光束a比光束b小C.水对光束a的折射率比水对光束b的折射率小D.水对光束a的折射率比水对光束b的折射率大解析由公式n，可得折射率nanb，C正确，D错误；由v，nanb知vavb，A正确，B错误。答案AC9.如图6所示，有一玻璃三棱镜ABC，顶角A为30，一束光线垂直于AB射入棱镜，从AC射出进入空气，测得出射光线与AC夹角为30，则棱镜的折射率为()图6A. B.C. D.解析顶角A为30，则光从AC面射出时，在玻璃中的入射角130。由于出射光线和AC的夹角为30，所以折射角260，由光路可逆和折射率的定义可知n，C项正确。答案C10.现代高速公路上的标志牌都使用“回归反光膜”制成，夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向反射，标志牌上的字特别醒目。这种“回归反光膜”是用球体反射元件制成的，如图7所示，反光膜内均匀分布着直径为10 m的细玻璃珠，所用玻璃的折射率为，为使入射的车灯光线经玻璃珠折射反射再折射后恰好和入射光线平行，那么第一次入射的入射角应是()图7A.15 B.30 C.45 D.60解析已知入射光线和出射光线平行，所以光在三个界面上改变了传播方向，光线在玻璃珠的内表面反射时具有对称性，由此可作出光路图如图所示。由几何关系可知i2r根据折射定律有n由可得i60。答案D二、非选择题11.在“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确操作插好了4枚大头针，如图8甲所示。图8(1)请在图乙中画出完整的光路图；(2)对你画出的光路图进行测量和计算，求得该玻璃砖的折射率n_(保留3位有效数字)；(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象，某同学做了两次实验，经正确操作插好了8枚大头针，如图丙所示。图丙中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和_ (填“A”或“B”)。解析(1)作光路图时应注意作图规范，所作光路图如图所示。(2)根据(1)中所作光路图，在对应三角形中算出入射角的正弦值sin i和折射角的正弦值sin r，则n1.51。 (3)根据光路易知对应出射光线上的2枚大头针是P3和A。答案 (1)如图所示 (2)1.51(1.481.54均可) (3)A12.用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率，O为玻璃截面的圆心，使入射光线跟玻璃砖的平面垂直，如图9所示的四个图中P1、P2、P3和P4是四个学生实验插针的结果。图9(1)在这四个图中肯定把针插错了的是_。(2)在这四个图中可以比较准地测出折射率的是_。计算玻璃的折射率的公式是_。解析如图所示，将P1P2看做入射光线，P3P4看做出射光线，由题图知，入射光线与界面垂直，进入玻璃砖后，在玻璃砖内传播方向不变，由作出的光路图可知A、C错误；而B中光路虽然正确，但入射角和折射角均为零度，测不出折射率，只有D能比较准确的测出折射率，角度如图，其折射率：n。答案(1)A、C(2)Dn