搜索
第十三章光1光的反射和折射[学习目标]1.理解光的反射定律和折射定律,并能用来解释和计算有关问题.2.理解折射率的定义及其与光速的关系,并能用来进行有关计算.3.注意光路可逆原理的应用.课前预习感悟新知教材探究知识点一光的反射和折射[问题导学]阳光明媚的日子里,在清澈的湖面上我们能通过水面看到太阳的倒影.同时太阳能够照亮水中的鱼和草,这说明光从空气射到水面时,一部分光射进水中,另一部分光返回到空气中,那么这两部分光的传播遵循什么规律呢?答案:光的折射定律和反射定律.[知识梳理]1.光的反射和反射定律(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,一部分光会到第1种介质的现象.(2)反射定律:与、法线处在同一平面内,与分别位于法线的两侧;反射角入射角.2.光的折射和折射定律(1)光的折射:光由一种介质射入另一种介质时,在界面上将发生的现象.返回反射光线入射光线反射光线入射光线等于偏折(2)折射定律:折射光线与入射光线、法线处在内,折射光线与入射光线分别位于的两侧;入射角的与折射角的成正比.即=n12.同一平面法线正弦正弦(3)光路的可逆性:与光的反射现象一样,在光的折射现象中,光路也是的.可逆12sinsin知识点二折射率[问题导学](1)光从真空以相同的入射角射向不同的介质时,折射光线的方向是不同的,为什么?(2)折射率与什么有关?折射率对光在介质中的传播速度有什么影响?答案:(1)因为不同介质对光的折射率不同.(2)折射率由介质本身决定,介质的折射率越大,光在该介质的传播速度越小.[知识梳理]1.定义:光从真空射入某种介质发生折射时,入射角的与折射角的之比,叫做这种介质的绝对折射率,简称折射率,用符号n表示.3.物理意义:它是一个反映介质的的物理量.正弦正弦2.与光速的关系:某种介质的折射率,等于光在中的传播速度c与光在这种中的传播速度v之比,即n=,光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v,因而任何介质的折射率n都1.真空介质大于光学性质cv思考判断1.入射光线和反射光线可能位于法线的同一侧.()2.反射现象、折射现象的光路都是可逆的.()3.任何介质的折射率都大于1.()4.同一种光进入不同介质时折射率一般是不相同的.()5.光从一种介质射入另一种介质时,其折射角一定小于入射角.()6.光从一种介质射入另一种介质,传播方向一定发生变化.()7.介质折射率的大小由入射角和折射角决定.()×√√√×××要点一光的反射、折射定律的应用1.对折射现象的理解(1)特殊情况:当光垂直于界面入射时,虽然光的传播方向不变,但光速变了,因此也属于折射.(2)光线的偏折方向:光线从折射率小的介质斜射入折射率大的介质,折射光线向法线偏折,反之将偏离法线.(3)光路可逆性:光由介质射入空气或真空时,折射角θ2大于入射角θ1.根据光路可逆,可认为光由空气或真空以入射角θ2入射,对应的折射角为θ1.课堂探究突破要点(2)在光路图中找出入射角、反射角和折射角,利用几何关系确定光路图中的边、角关系,与折射定律n12=12sinsin中的各量准确对应.结合数学的三角函数的知识进行运算,必要时可利用光路可逆原理辅助解题.2.解决光的反射、折射问题的方法(1)根据题意准确、规范地画出光路图,确定好界面和法线.[例1]一小孩站在宽6m的河边,在他正对面的岸边有一距离河面高度为3m的树,树的正下方河底有一块石头,小孩向河面看去,同时看到树顶和石头两者的像且重合.若小孩的眼睛离河面的高度为1.5m,如图所示,河水的折射率为43,试估算河水深度.解析:光路图如图所示,得n=sinsin,由几何关系得1.5tanα+3tanα=6,解得tanα=43,P点至树所在岸边的距离为3tanα=4(m),设河水深度为h,则sinβ=2244h,由以上几式解得h≈5.3m.答案:5.3m规律方法利用光路图处理反射、折射问题的方法先根据题意画出正确的光路图,再利用几何关系确定光路中的边角关系,要注意入射角、折射角的确定;最后利用反射定律、折射定律求解;要注意灵活运用光路可逆中的逆向思维.[针对训练1](2019·湖北武汉检测)如图所示,在MN的下方足够大的空间是玻璃介质,玻璃介质的上边界MN是屏幕.玻璃中有一正三角形空气泡,其边长l=40cm,顶点与屏幕接触于C点,底边AB与屏幕平行.激光a垂直于AB边射向AC边的中点O,结果在屏幕MN上出现两个光斑.已知光从AC面进入玻璃时有12sinsin=3.解析:(1)画出光路图如图所示.(1)画出光路图;答案:(1)光路图见解析(2)求两个光斑之间的距离L.解析:(2)在界面AC,a光的入射角θ1=60°.由光的折射定律有12sinsin=n12代入数据,解得折射角θ2=30°由光的反射定律得,反射角θ1′=60°.由几何关系易得△ODC是边长为0.5l的正三角形,△COE为等腰三角形,CE=OC=0.5l.故两光斑之间的距离L=DC+CE=l=40cm.答案:(2)40cm要点二折射率的理解1.光线的偏折与折射率的关系折射率是一个反映介质的光学性质的物理量.当光由真空射入某种介质发生折射时,则12sinsin为这种介质的折射率,即n=12sinsin,由此可知:当θ1一定时,n越大,θ2越小,此时光线的偏折角Δθ=θ1-θ2就越大,即n越大,光线的偏折角度就越大.2.折射率与光速的关系光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关,光在真空中的传播速度c大于光在任何其他介质中的传播速度v,且介质的折射率越大,光在该介质中的传播速度越小.3.决定因素介质的折射率的大小由介质本身及光的性质共同决定❶,与入射角、折射角无关,不随入射角、折射角的变化而变化.4.“相对折射率”与“绝对折射率”光从介质1射入介质2时,入射角θ1与折射角θ2的正弦之比❷叫做介质2对介质1的相对折射率,通常用n12表示.若介质1是真空,则介质2相对真空的折射率叫做该介质的绝对折射率,通常用n表示.设介质1的绝对折射率为n1,介质2的绝对折射率为n2,则n12=12sinsin=12vv=12vcvc=1211nn=21nn.状元心得❶不要认为介质的密度越大,折射率越大.由于介质的折射率和密度没有必然的联系,密度大,折射率不一定大.❷折射率定义式中θ1不一定是入射角.由折射率定义知道,θ1是真空(空气)中的光线与法线的夹角,不一定是入射角;θ2是介质中的光线与法线的夹角,不一定是折射角.[例2]如图所示,一束光线通过一水平界面从某介质射入真空,已知入射光线与界面的夹角为60°,折射光线与界面的夹角为45°,则该介质的折射率为()CA.62B.63C.2D.22解析:如图所示,由几何知识可得:入射角i=90°-60°=30°,折射角r=90°-45°=45°由于光线从介质射入真空,则有sinsinir=1n,得n=sinsinri=sin45sin30=2,故选C.[针对训练2]在水面上放置一个足够大的遮光板,板上有一个半径为r的圆孔,圆心的正上方h处放一个点光源S,在水面下深H处的底部形成半径为R的圆形光亮区域(图中未画出).测得r=8cm,h=6cm,H=24cm,R=26cm,求水的折射率.解析:根据光路图,可知sinθ1=22rrh=22886=0.8sinθ2=22RrRrH=22181824=0.6由折射定律得n=12sinsin,得n=43.答案:43随堂演练检测效果1.关于光的折射及折射率的说法,下列正确的是()A.光由一种介质进入另一种介质时,光的传播方向一定发生改变B.放入盛水的碗中的筷子,看起来像折了一样,是光的折射C.光由水射入空气中,折射角小于入射角D.光在折射率大的介质中传播速度大B解析:当光垂直交界面射入时,传播方向不变,A错;光由水射入空气中,折射角大于入射角,C错;光在折射率大的介质中传播速度小,D错.2.如图所示,玻璃三棱镜ABC的顶角A为30°,一束光线垂直于AB射入棱镜,从AC射出进入空气,测得出射光线与入射光线的夹角为30°,则棱镜的折射率为()CA.12B.22C.3D.33解析:顶角A为30°,则光从AC面射出时,在玻璃中的入射角θ1=30°.由于出射光线和入射光线的夹角为30°,所以折射角θ2=60°.由光路可逆和折射率的定义可知n=21sinsin=3,C项正确.3.假设地球表面不存在大气层,那么人们观察到的日出时刻与实际存在大气层的情况相比()A.将提前B.将延后C.在某些地区将提前,在另一些地区将延后D.不变B解析:当假如地球周围没有大气层,太阳光将沿直线传播,如图所示,在地球上B点的人将在太阳到达A′点时看到日出;而地球表面有大气层,由于空气折射率大于1,并且离地球表面越近,大气层越密,折射率越大,太阳光将沿如图中AB曲线进入在B处的人眼中,使在B处的人看到了日出.但B处的人认为光是沿直线传播的,则认为太阳位于地平线上的A′点,而此时太阳还在地平线下,日出时间提前了,所以无大气层时日出时间将延后.4.(多选)如图所示,两束单色光a,b分别照射到玻璃三棱镜AC面上,穿过三棱镜后互相平行,则()A.a光的折射率大B.b光的折射率大C.a光在三棱镜中的速度大D.b光在三棱镜中的速度大BC解析:根据题意可知b光通过三棱镜后,传播方向偏离原来方向大,所以b光折射率大,故A错,B对;根据v=cn,折射率大的,在介质中的速度小,故C对,D错.[错例分析]——光线偏折情况的分析判断光从玻璃射入空气里时,传播方向如图所示,请在图中标出入射角和折射角.核心素养提升(教师备用)学长经验分享[错解]如图所示,θ1为入射角,θ2为折射角.[正解]根据光的折射规律,光从水或玻璃等透明物质射入空气里时,折射角大于入射角,题设文字条件是“从玻璃射入空气”,因此折射角大于入射角,再结合题设所给图形,可知CD为界面,AB为法线,如图所示,θ1′为入射角,θ2′为折射角(CD左面为玻璃,右面为空气).[注意]不要不加分析地认定玻璃与空气总是上下接触的.在解光的折射现象的题目时,首先确定光线是从折射率较小的介质进入折射率较大的介质,还是从折射率较大的介质进入折射率较小的介质.为了保证每次做题时,能够不忘判断,做光的折射题时,先画出光路图,标出入射光线和出射光线的方向,在界面处标出哪一个是折射率较大介质,哪一个是折射率较小的介质,然后再解题.