1第1节光的直线传播

高二物理教案西北师大附中白景曦1第十九章光的传播本章我们主要研究：光的直线传播的规律，包括光在同种均匀介质中的直线传播、光的反射、光的折射、全反射、光的色散。光在同一种均匀介质中沿直线传播。光从一种介质入射到另一种介质的表面上时，会发生反射，反射的规律满足反射定律。光从一种介质进入另一种介质时，会发生折射，折射的规律满足折射定律。光从光密介质入射到光疏介质中时，会发生全反射，发生全反射的条件是：光从光密介质射入光疏介质，入射角大于临界角。光通过棱镜会发生色散现象，这是由于各种不同色光在同一种介质中的折射率不同造成的。第一节光的直线传播白景曦（西北师范大学第一附属中学甘肃兰州730070）摘要光是从光源发出来的。能够自己发光的物体叫光源。光源按照大小可分为点光源、线光源和面光源。光具有能量，光具有的能量来源于光源，光源能把其他形式的能转化为光能。光在同一种均匀介质中沿直线传播。为了描述光的直线传播规律，需要引入光线的模型，光线可分为发散光线，会聚光线和平行光线。光在真空中传播的速度smc/100.38，测量光速的方法主要有：伽利略法、大距离法、迈克尔逊法、现代激光法、麦克斯韦计算法。关键词：光源光的直线传播光速引言光给大地带来光明，我们能够观察到外部世界丰富多彩的景象，就是因为有光进入高二物理教案西北师大附中白景曦2到了我们的眼睛。光与人类生活和社会实践有密切的联系，据统计，人类由感官接受的信息中，有90%以上是通过眼睛得来的。所以，人类很早就开始了对光现象的观察和研究。在我国古代的《墨经》中就记载了光的直线传播、影的形成、平面镜和球面镜成像等几何光学问题，这是二千多年前人类最早的光学著作。随着科学技术的发展，光学的应用也越来越广泛——如光谱、红外线、激光等等。按照研究目的的不同，光学知识可以粗略的分为两大类。一类利用光线的概念研究光的传播规律，但不研究光的本质属性，这类光学称为几何光学；另一类主要研究光的本性（包括光的波动性和粒子性）以及光和物质的相互作用规律，通常称为物理光学。本章我们研究几何光学，下一章我们将研究物理光学。今天，我们先学习第一节：光的直线传播。第1课时：光源与光的直线传播新课教学：提出问题：光是从哪里来的呢？一、光源1．光源：自行发光的物体叫光源。如，太阳、通电的电灯、点燃的蜡烛等都是光源。问题1：月亮是光源吗？为什么？（不是）太阳与电灯、蜡烛、日光灯比较本质的区别是什么呢？太阳是自然光源，蜡烛、电灯、日光灯都是人造光源。2．分类（1）自然光源和人造光源A．太阳等恒星都是天然光源（火星不是恒星）。B．白炽灯、水银灯、荧光灯和蜡烛等是人造光源。高二物理教案西北师大附中白景曦3（2）按光的激发方式分：冷光源和热光源。A．热光源：利用热能激发的光源（白炽灯、弧光灯等）。B．冷光源：利用化学能、电能激发的光源（萤火虫、霓虹灯等）。设置情景：遥远的前方有一个发光点，靠近发光点，发现发光点变成了一条线，再靠近，发光线又变成了发光面，再靠近，原来是街道上挂了个宫灯。这说明光源可以按照形状分为点光源、线光源、面光源和体光源。（3）按形状特点分：点光源、线光源、面光源和体光源。（着重介绍点光源）提出问题：什么是点光源？在什么情况下，实际的光源可以视为点光源。A．点光源：研究光学问题时，凡是光源本身的大小与它被照到的物体间的距离相比可以忽略不计时，这样的光源都可以看作是“点光源”。点光源是真实存在的吗？B．点光源是一种理想模型。点光源并非数学上的点，而是物理意义上的点，即光源本身有一定线度。问题2：太阳是点光源吗？不一定，如果太阳离被照的物体比较远时，太阳就能看成点光源，这与研究的问题有关。当很强的太阳光照射到你身上时，你最明显的感觉是什么？（热，说明光具有能量。）3．光具有能量追问：还有哪些现象能够说明光具有能量呢？电能光能使光电池供电；化学能光能使照相底片感光内能光能使物体发热光具有能量.;.;提出问题：光具有的能量是从哪里来的呢？高二物理教案西北师大附中白景曦4光源。光源发光需要消耗其他形式的能，如电灯发光：电能转化为光能；太阳发光：核能转化为光能；蜡烛燃烧发光：化学能转化为光能。即：光源发光的过程就是其他形式的能与光能的转化过程。问题3：有人说：“人能看见物体，是因为眼睛发出的光照射到物体上的缘故”，你说对吗？4．光束进入人的眼睛才能引起视觉。人能看到光源，是因为他发出的光射入了眼睛；能够看到不发光的物体，是因为他反射的光进入了眼睛。情景设置：夜晚，在师大附中的校园里，能看到绿色的激光束在转动，这个现象说明了什么问题呢？这说明光在空气中沿直线传播。演示实验：光在玻璃中沿直线传播。二、光的直线传播1．介质：光能够在其中传播的物质叫做介质。如，空气、水、玻璃等。2．光在同一中均匀介质中沿直线传播。例：（1）当我们打扫房间的灰尘时，从窗户射进的光的传播路径是笔直的；（2）自然界中：影的形成、日食、月食等。（3）实验：小孔成像——利用自制教具演示。为了研究光的传播规律，需要引入光线的概念。3．光线、光束（1）光线概念：表示光的传播路径的直线叫光线。光线是真实存在的吗？理解：光线是一种理想模型。是用来形象描述光的传播情况的方法，它并不是光本身，高二物理教案西北师大附中白景曦5光线并不是实际存在的东西，它是对光的抽象。几何表示：画光线必须画出表示光的传播方向的箭头。过渡：由光源发出的是光束，如何描述光束呢？（2）光束：就是光线的集合。提出问题：请用光线解释人眼确定物体和物体像的原理。4．发光点或反光点位置的确定知道了一个发光点发出的两条光线的传播方向，就可以确定这个发光点的位置，如下图所示。人眼在观察物体时，就是根据刚要射入眼睛那部分光线的方向和光沿直线传播的经验来判断物体位置的。实验体验1：引导学生分别用一只眼睛和两只眼睛确定举在面前的铅笔尖的位置。实验体验2：如上图，观察者会认为人是从镜子后面走来的。三、光速师：光从光源发出，以有限的速度向外传播，光传播的很快，在日常接触的距离上，光从光源到达我们的眼睛所用的时间很短，凭感觉根本无法察觉出来，所以在历史上很长一段时间里，人们一直认为光的传播是不需要时间的。平行光束发散光束会聚光束ABCDS高二物理教案西北师大附中白景曦617世纪后，大量的实验证明，光是以有限的速度传播的。1．光速概念：光的传播速度。说明：A．真空中的光速：各种不同频率的光在真空中的传播速度都相同，均为:C＝3.0×105km／s＝3.0×108m／s。B．光在空气中的速度近似等C＝3.0×105km／s＝3.0×108m／s。C．光在其它介质中的速度都小于C，其大小除了与介质性质有关外，还与光的频率有关(这一点与机械波不同，机械波的波速仅由介质的性质即密度、弹性和温度等决定)学生练习：地球与太阳的平均距离是1.496×1011m，求，太阳发出的光传到地球上所需的时间约为多少？光年就是光在一年时间（按365天计算）里所通过的距离，求一光年是多少千米？（t=499s=8分19秒；1光年=9.46×1015m）强调指出：光在真空中一年时间内传播的距离叫做光年。光年不是时间单位,而是长度单位。（思考：宇宙间的有些恒星间的相距几亿光年，其间的距离能否用光来测出？——一般是计算得出的。）2．光速的测定光速的测定也经历了由失败到成功，由粗略到精确的过程，是各代科学工作者艰幸努力的结果。（1）伽利略的方法（1607年）高二物理教案西北师大附中白景曦7在夜间两个人各带一盏遮蔽着的灯，相隔一段距离面对面站着，第一个实验者先打开灯，同时记下开灯的时间；第二个实验者接收到传来的光时，立刻打开自己的灯，第一个实验者看到第二个实验者的灯光后立刻记下时间，然后根据记下的时间间隔和测得的两地间的距离计算光的传播速度。tSv2思考与讨论：问题1：伽利略的这个实验能否成功测出光速？为什么？伽利略测得的距离为1.6km，光传播一个往返的时间为ssvSt583100.1100.3106.122，为十万分之一秒，而实际中人的反应时间约为0.5s，所以不能成功的测出光速。问题2：伽利略的方法有合理的成分吗？若有，怎样才能使实验获得成功呢？实验的原理是正确的。但要获得光速就要准确测量时间t，这里有两条途径：一是增大距离S；另一是设法测出很短的时间间隔t。（2）丹麦天文学家罗默的天文观测法（大距离）S高二物理教案西北师大附中白景曦8木星的卫星绕木星每转一周都要消失在木星的本影区一次，而发生一次卫星食，相继两次卫星食间隔的时间为卫星的周期，约为1.75天，罗默发现这个周期不是恒定的，在地球远离木星而去的半年里，卫星的周期变长，反之变短。如下图所示，罗默通过天文观测，测出地球在近木星位置A点比在远木星位置B点观测到木星卫星食的时间少22分钟，相应的A、B两点的距离为地球的公转轨道的直径，约为2.77×108km，由此可得：c=2.1×105km/s这个实验有力的说明了光是以有限的速度传播的。（3）迈克尔孙的实验方法美国科学家迈克尔孙从1879年开始到1926年进行了长达50年的光速测量研究工作，设计了一个巧妙的实验，并得到极好的实验结论。实验原理：强光源S发出的光线通过如图所示的传播路径进入望远镜C，这时可在望远镜中看到光源的像。若让八面棱镜在电动机的带动下转动起来，则可能会出现如右图所示的情况：这时在望远镜C中就看不到光源S太阳木本影ABCD地球公转轨道12345678AMBS反射镜反射镜八面棱镜望远镜C123高二物理教案西北师大附中白景曦9的像。讨论1：当八面镜转动起来后，是不是在C中永远也看不到S的像呢？你有什么方法可以在C中重新看到S的像呢？适当调节八面镜的转速，使反射光回到八面镜时，八面镜刚好转过81圈（或8n圈，n=1、2、3、……），这时八面镜的2面恰好到了3面的位置，C中就可以看到S的像，如图。讨论2：设两山的距离为L，八面镜的转速为ω转/秒，求测得的光速是多少？4321,1682、、、nnLnLc当n=1时，转速最小，这时：Lc16，式中ω的单位为：转/秒；L的单位为：米。（4）利用现代激光测定光速是一个基本常数，科学家们一直努力更精确的测定光速，1970年以后，开始利用激光测定光速，由公式fc，若测出和f，则可计算出光速。（5）由麦克斯韦的理论计算得出结论本节课收获如下：1.知识：（1）光源；（2）光在同一种均匀介质中沿直线传播（3）光速。2.物理思想：理论联系实际1238高二物理教案西北师大附中白景曦10布置作业：教学后记：第2课时：影、日食、月食成因提出问题：如果光照射到不透明的物体上时，会产生什么现象呢？影。四、影的形成1．影：由于光是沿直线传播的，因此当光照到不透明的物体上时，在背光面形成一个光线照不到的区域，就是物体的影。即，影是由发自光源并与投影物体的表面相切的光线围成的。提出问题：如果光源是面光源，又会发生什么现象呢？2．本影、半影如果用一个发光面较大的光源代替点光源，影形成的情况会有所不同。发光面上的每一个点都可看作一个点光源，他们都会在物体的背光面形成影。本影：光源发出的所有光线都照不到的黑暗区域，叫做物体的本影。半影：一部分光线能照到，一部分光线照不到的暗区，叫物体的半影。思考与讨论：◎物体的本影区的大小与那些因素有关？S高二物理教案西北师大附中白景曦11对同一个物体，其本影区的大小，与光源发光面的大小和光源到物体的距离有关：光源到物体的距离一定时，光源发光面越大，则物体的本影越小；光源发光面越小，则物体的本影越大。光源发光面一定时，光源到物体的距离越小，则物体的本影区越大；光源到物体的距离越大，则物体的本影区越小。◎在本影区能看到光源吗？在半影区呢？本影区看不到光源，半影区能看到部分光源。3．月食、日食成因分析月食成因分析：当月球进入地球的本影区（图中的a区）时，就没有阳光照在月球上，在地球上向着月球的一面就可看到月食；当月球的一部分进入地球的本影区（图中的a区）时，在地球上向着月球的一面就可看到月偏食；而在地球的半影区（图中的b区、