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第十三章光〔情景切入〕我们生活在一个充满光的世界。人类渴望光明，生物需要阳光，人类的感觉器官接收到的信息中，有90%的是通过眼睛。现在光学已经成为物理学的重要组成部分，在生活、生产和科学技术中有广泛的应用，光学是现代高科技领域中最前沿的科学之一。〔知识导航〕本章讲的光可分为两部分即几何光学和物理光学。几何光学以光的直线传播为基础，主要讨论了光的反射和折射现象中所遵循的基本规律——反射定律和折射定律。物理光学研究光的本性，学习光的干涉、衍射、偏振、色散现象，从波的角度认识光并讨论一些与光的本性有关的实例。本章的重点是光的折射定律，全反射概念及各种光路图的作法。难点是双缝干涉实验和全反射现象。〔学法指导〕1.本章始终贯穿一个模型“光线”，引入光线，能形象地表示出光的传播路径和方向，作出光路图可以把光问题转化为几何问题，便于研究。2.本章主要通过光的现象说明光具有波动性，因此与前面机械波的知识联系密切，是波动的进一步深化。3.学习前可首先复习机械波在传播中的一些规律，如反射、折射、干涉、衍射等，学习中尤其要注意借鉴机械波的学习方法，但又要注意光与机械波还是有很大区别的，不要等同起来。本章采用多观察、多实验、多探究的方法能取得较好的学习效果。第一节光的反射和折射※※掌握光的反射和折射定律※※理解折射率的定义及其与光速的关系※※能用光的折射定律解决相关问题1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内课堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．概念光线入射到两种介质的界面上时，光的传播方向发生改变，一部分光________________的现象，叫做光的反射。2．光的反射定律(1)反射光线和入射光线在________内；(2)反射光线和入射光线分居在________；(3)反射角等于________。3．光路的特点在反射现象中，光路是________的。光的反射返回原介质同一平面法线两侧入射角可逆1．折射现象光从一种介质斜射进入另一种介质时传播方向________的现象。光的折射和折射定律改变同一平面2．折射定律(1)内容：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法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成________比。(2)表达式：sinθ1sinθ2＝n12。3．光路的特点在光的折射现象中，光路是________的。正可逆折射率真空1．定义光从________射入某种介质发生折射时，________的正弦与________的正弦之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率。2．定义式n＝sinθ1sinθ23．物理意义是一个与介质有关的常数，反映介质________的物理量。入射角折射角光学性质4．用光速表示的折射率n＝cv，某种介质的折射率，等于光在________中传播的速度c与光在这种________中的传播速度v之比。5．特点任何介质的折射率都________。真空介质大于1『判一判』(1)入射光线与反射光线在不同介质中。()(2)入射光线与反射光线关于法线对称。()(3)光从一种介质进入另一种介质时传播方向就会变化。()(4)若光从空气中射入水中，它的传播速度一定减小。()(5)介质的密度越大，其折射率一定也越大。()(6)光从真空斜射入任何介质时，入射角均大于折射角。()×√×√×√『选一选』如图所示，国家游泳中心“水立方”的透明薄膜“外衣”上点缀了无数白色亮点，他们被称为镀点，北京奥运会举行时正值盛夏，镀点能改变光线方向，将光线挡在场馆外，镀点对外界阳光的主要作用是()A．反射太阳光线，遵循光的反射定律B．反射太阳光线，不遵循光的反射定律C．折射太阳光线，遵循光的折射定律D．折射太阳光线，不遵循光的折射定律解析：“挡在场馆外”一定是反射，只要是反射就一定遵循光的反射定律。A『想一想』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，如图所示。你知道这是为什么吗？解析：从鱼身上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，人眼会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。课内互动探究如图所示，落山的太阳看上去正好在地平线上，但实际上太阳已处于地平线以下，观察者的视觉误差大小取决于当地大气的状况。造成这种现象的原因是什么？提示：光的折射探究一光的折射1．光的方向光从一种介质进入另一种介质时，传播方向一般要发生变化(斜射)。并非一定变化，当光垂直界面入射时，传播方向就不发生变化。2．光的传播速度光从一种介质进入另一种介质时，传播速度一定发生变化，当光垂直界面入射时，光的传播方向虽然不变，但也属于折射，因为光传播的速度发生了变化。3．入射角与折射角的大小关系光从一种介质进入另一种介质时，折射角与入射角的大小关系不要一概而论，要视两种介质的折射率大小而定。当光从真空斜射入介质时，入射角大于折射角，当光从介质斜射入真空时，入射角小于折射角。特别提醒：(1)应用折射定律和反射定律解题的关键是确定入射角和折射角。画出正确的光路图是解题的必要前提。(2)入射角、折射角、反射角均以法线为标准来确定，注意法线与界面的区别。如图所示，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，可同时看到树顶和石头两者的像，并发现两个像重合，若小孩的眼睛离河面高为1.5m，河水的折射率为43，试估算河水深度。解题指导：根据题意，正确作出光路图，明确入射角、反射角、折射角间的关系是解答此题的关键。解析：树顶反射和石头折射成像的光路图如图所示由图得n＝sinisinr①由几何关系得1.5tani＋3tani＝6解得tani＝43sini＝45②P点至树岸边的距离为3tani＝4sinr＝442＋h2把①②代入③得h＝5.3m答案：5.3m〔对点训练1〕(2019·浙江省嘉兴一中，湖州中学高二下学期期中)一束光线从空气射向折射率为的玻璃内，入射角为45°，下面光路图中正确的是()C解析：光在两介质的界面上通常同时发生反射和折射，所以A错误；由反射定律得反射角为45°，根据折射定律n＝sinθ1sinθ2得θ＝30°，故B、D错误，C正确。不同介质折射率不同，而它们的密度也往往不同，那么介质的折射率与其密度有什么关系？是不是介质的密度越大，其折射率就越大？提示：介质的折射率与介质的密度没有必然的联系，密度大，折射率未必大，如水和酒精，水的密度较大，但水的折射率较小。探究二对折射率的理解1．关于正弦值当光由真空射入某种介质时，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，但正弦值的比值是一个常数。2．关于常数n入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一个常数，但不同介质具有不同的常数，说明常数反映了该介质的光学特性。3．折射率与光速的关系介质的折射率n跟光在其中的传播速度v有关，即n＝cv，由于光在真空中的传播速度c大于光在任何介质中的传播速度v，所以任何介质的折射率n都大于1。4．决定因素介质的折射率是反映介质的光学性质的物理量，它的大小由介质本身及光的性质共同决定，不随入射角、折射角的变化而变化。特别提醒：(1)折射率的定义式n＝sinθ1sinθ2中的θ1为真空中光线与法线的夹角，不一定是入射角，θ2也不一定是折射角，产生这种现象的原因是光路的可逆性。(2)介质的折射率由介质的性质和光的频率共同决定，与入射角和折射角无关。(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。根据图中所给的情况判断，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BC解题指导：(1)根据入射角与折射角的大小，判定介质折射率的大小；(2)根据n＝cv判定光线在各介质中的速度大小；(3)明确光路的可逆性。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，光在其中传播速度最大。由光路的可逆性可知，光由B进入A时，如果入射角为60°，则折射角为45°，而光由B进入C时，入射角为60°，折射角为30°，由此比较可知，介质C的折射率最大，光在其中传播速度最小。故选BC。〔对点训练2〕(多选)关于折射率，下列说法中正确的是()A．根据sinθ1sinθ2＝n可知，介质的折射率与入射角的正弦成正比B．根据sinθ1sinθ2＝n可知，介质的折射率与折射角的正弦成反比C．根据n＝cv可知，介质的折射率与介质中的光速成反比D．同一频率的光由第一种介质进入第二种介质时，折射率与波长成反比CD解析：介质的折射率是一个表明介质的光学特性的物理量，由介质本身决定，与入射角、折射角无关。由于真空中光速是个定值，故n与v成反比正确，这也说明折射率与光在该介质中的光速是有联系的，由v＝λf，当f一定时，v正比于λ。n与v成反比，故折射率与波长λ也成反比。核心素养提升解决光的折射问题的常规思路和两类典型的问题1．常规思路(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、折射角均是与法线的夹角。(3)利用折射定律、折射率公式列式求解。2．玻璃砖对光的折射问题常见的玻璃砖有半圆形玻璃砖和长方形玻璃砖。对于半圆形玻璃砖若光线从半圆面射入，且其方向指向圆心，则其光路图如图甲所示，光线只发生一次偏折。对于两个折射面相互平行的长方形玻璃砖，其折射光路如图乙所示，光线经过两次折射后，出射光线与入射光线的方向平行，但发生了侧移。特别提醒：画光路图时应注意的问题(1)光路是可逆的。(2)垂直界面入射的光线，折射光线与入射光线在同一直线上。(3)过半圆形玻璃砖圆心的光线在圆弧处不偏折。(多选)如图所示，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()A．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AD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。