41光的折射定律.docx

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1、4.1光的折射定律教学目标：1. 知识与技能（1）了解介质的折射率与光速的关系；（2）掌握光的折射定律（3）掌握介质的折射率的概念（4）会用折射定律解释简单的现象2. 过程与方法：通过观察演示实验，使学生了解到光在两种介质界面上发生的现象（反射和折射）观察反射光线、折射光 线随入射角的变化而变化，培养学生的观察、概括能力，通过相关物理量变化规律的学习，培养学生分析、 推理能力3. 情感态度价值观：渗透物理研究和学习的科学态度的教育.实验的客观性与人的观察的主观性的矛盾应如何解决，人的直接观察与用仪器探测是有差别的，我们应用科学的态度看待用仪器探测的结果教学重点：光的折射定律、折射率.折射率是反

2、映介质光学性质的物理量，由介质来决定教学难点：光的折射定律和折射率的应用.通过问题的分析解决加深对折射率概念的理解，学会解决问题的方法教学器材：光的折射激光演示器.教法学法：问题导学/实验演示/讨论/探究/讲授教学过程设计:教学内容一、引入：生活中光的折射现象折射现象:光从一种介质斜射入到另一介质时传播方向发生改变的现象。【问题1】生活中有哪些现象是光的折射现象？生活中的折射现象：现象一：筷子弯折【问题2】筷子是真的折断了吗？现象二：硬币“浮”起来了（实验）【问题3】硬币是真的浮起来了吗？衔接：学完这节课，我们就能很好地利用光的折 射原理，对这两个现象进行解释。教师语言、活动板书：4.1光的折

3、射定律初中我们学过，当光从一种介质斜射入到另一介质时传播方向发生改变，这种现象叫做光的折射。生活中有哪些现象是光的折射现象？比如，在碗里斜放一根筷子，当加入水后，会看 到筷子发生了向上弯折。筷子是真的折断了吗？不是，这只是一种光的折射现象。再比如我们做个实验，在杯子里放入两个硬币， 将杯子移动到眼睛刚好看不到硬币的地方，往杯子 里加水，会发现硬币“浮”起来了。硬币是真的浮起来了吗？不是，硬币密度比水大得多并不会真的浮起来， 这也只是一种光的折射现象。学完这节课，我们就能很好地利用光的折射原 理，对这两个现象进行解释。二、演示实验（光的反射与折射）在正式进入新课之前我们先来做一个实验。我让一束绿

4、色激光从空气斜射入水中。（实验）但是现在存在一个问题，只能看到水中的光路， 而几乎看不到空气中的光路。要怎么做才能看到空气中的光路？实验仪器介绍：加湿器产生水雾，产生丁达尔效 应用来显示空气中的光路。【问题4】当光束由空气斜射向水面时，入射光束在 分界面上将发生那些光现象？发生反射与折射。【问题5】为什么反射光线、折射光线看起来都比入 射光线暗？（提示：从能量守恒角度思考）能量守恒。入射光线的总能量分成两份，一份给反射光，一份 给折射光。三、光的反射衔接：以这个图为例来研究光的反射和折射。光的反射定律：（1）反射光线与入射光线、法线在同一平面（2）反射光线和入射光线分居法线两侧我可以通过加湿器

5、产生水雾，产生丁达尔效应， 用来显示空气中的光路。（这个时候再打开加湿器）大家注意观察，入射光束在分界面上将发生那些 光现象？当入射光线射到分界面时，被分成了两束：一束反射回空气形成反射光线。一束折射进水中形成折射光线。ppt上这幅图（左图）就是刚才看到的实验现象。比较一下，反射光线和折射光线与入射光线的光强大小、明暗程度？亮度有何不同？反射光线、折射光线比入射光线暗。为什么反射光线、折射光线看起来都比入射光线暗？（提示：从能量守恒角度思考）（提问学生，个别提问）入射光线的总能量分成两份，一份给反射光，一 份给折射光。我们以这个图为例来研究光的反射和折射。在分析之前先做出两条线：空气与水的分界

6、线， 垂直于分界线的法线。（法线用虚线表示，记得标 出垂直符号）左上角这条光线是入射光线，右上角这条光线是 反射光线，以及所对应的入射角、反射角。从刚才 的演示实验以及这幅图，我们能很清楚地看出：（1）反射光线与入射光线、法线在同一平面（2）反射光线和入射光线分居法线两侧（3）反射角等于入射角（3）反射角等于入射角（4）光路可逆四、光的折射（1）折射光线、入射光线、法线在同一平面内（2）折射光线和入射光线分居法线两侧【问题6】仔细观察，入射角减小时，折射角是如何 变化的？入射角增大时。折射角又是如何变化的？（3）当入射角增大时，折射角也随着增大当入射角减小时，折射角也随着减小【问题7】当光线沿

7、法线入射折射光线有什么特点？ 光线沿法线入射，不会发生偏折。演示：光线从右侧以40。角入射，反射光线将 从左侧以40角出射。光线从左侧以40角入 射，反射光线将从右侧以40。角出射。这说明光的反射光路是可逆的。衔接：再来看看进入水中的这条折射光线。从刚才的演示实验以及这幅图，我们能很清楚地 看出：（讲解这两条定律时展示左图的ppt）（1）折射光线、入射光线、法线在同一平面内（2）折射光线和入射光线分居法线两侧（翻到下一页ppt,展示第1、2点）衔接：以上是折射光线和入射光线的位置关系。 那么折射角和入射角有什么大小和变化关系？（继续来做实验）演示实验：仔细观察，入射角 减小时，折射角是如何变化

8、的？入射角增大时。折 射角又是如何变化的？同增同减。现在我让入射光线以一个特殊的角度入射，入射 角为0，也就是光线沿法线入射，仔细观察水中 光线有什么特点。（边说边实验）光线沿法线入射，不会发生偏折。补充：也就是说，光从一种介质进入另一种介质 时，不一定会发生偏折。只有光从一种介质斜射入 另一种介质时才会发生偏折。（翻到下一页ppt）如图，当光从空气斜射入水中时，折射角小于入 射角（直接说，不用演示实验）（4）当光从空气斜射入水中时，折射角小于入射角反过来，让光从水斜射如空气，折射角与入射角有什么大小关系？演示实验：入射角在水中，折射角在空气中，折 射角大于入射角。（5）当光从水斜射入空气中时

9、，折射角大于入射角【问题8】从以上两个规律，你能不能总结出折射角与入射角有什么样的大小关系？（提问）空气的角水中的角（角：光线与法线夹角）【问题9】光的折射是否有光路可逆？光路可逆。从以上两个规律，你能不能总结出折射角与入射 角有什么样的大小关系？（提示：可以将角度大小 结合介质来考虑）。（提问学生，个别提问。）空气的角水中的角。衔接：一开始我们讲到光的反射光路是可逆的， 光的折射是否也有光路可逆？有的同学说有，到底有没有，我们可以通过一个 实验来证明。演示实验（希沃投屏）：光从空气以50入射， 在玻璃中的折射角为30。反过来光从玻璃以 30入射，在玻璃中的折射角为50。当两束光线同时打开时，

10、光线完全重合。说明：光路可逆。五、光的折射定律-实验探究【问题10】折射角与入射角有什么定量关系？（提示：定量关系：线性、正比、反比、平方、开方、正弦、余弦等等）【问题11】如何探究这定量关系？（提问）（提示：如何设计实验？需要测量什么数据？）（学生回答：利用折射演示仪，测出入射角和与之 对应的折射角，并改变入射角，测出多组入射角和折 射角）实验方法：不断改变入射角，测出对应的折射角。衔接：前面讨论的只是折射角与入射角的定性关 系，它们同增同减，空气中的角大于水中的角。它们之间有没有定量关系？什么是定量关系？线性、正比、反比、平方、开 方、正弦、余弦等等。我们现在的主要工作就是探究出折射角与入

11、射 角符合哪一种定量关系。如果让你来探究这个定量关系，你会设计一个什 么实验？测量什么数据？测量多少数据？（预留学生思考、设计时间一分钟）（提问学生，个别提问）衔接：根据这位同学的实验思路，我们设计这么一个实验，让激光从空气射入水 中，测出入射角与折射角，改变入射角度，使入射 角为10、20、30、40然后分别测出 所对应的折射角，最后找出它们之间的关系。进行实验:实验步骤:1、数据米集。i/r1.3333331、数据采集:(1)1.3333331.3636361.37931 ()1.428571 (3)利用希沃手机投频，保证每个学生能看到实验过程。邀请一名学生上台记录实验数据。改变入射角，测

12、出对应折射角，总共测出81.51.5555561.666667组数据。2、数据处理。猜想一：入射角与折射角成正比衔接：从这两列数据，我们没法直接看出它们有 什么的关系，但是，我们可以先猜想，假设它们具 有某种定量关系，然后在进行验证。入射角折射角i/r10,#DIV/0!20#DIV/0!30#DIV/0!40#DIV/0!50#DIV/0!60#DIV/0!70#DIV/0!80r #DIV/0!入射角折射角i/r107.51.33333320151.33333330221.36363640291.3793150351.42857160401.570451.55555680481.66666

13、7猜想不成立。【问题12】入射角与折射角比值大小有什么规律？小角度的时候，入射角与折射角比值维持在1.33 左右，随着角度增大，比值逐渐增大。2、数据处理。猜想一：入射角与折射角成正比比如说，它们同增同减，那我们假设成正比。所以设计这么一个表格，第一列是入射角，第二 列是折射角，第三列是与之对应的入射角根折射角 的比值，如果比值相等，则假设成立。很显然，入射角与折射角比值并不都相等， 所以猜想不成立。大家再仔细观察，这组比值有什么规律？很显然，小角度的时候，入射角与折射角比值维 持在1.33左右，随着角度增大，比值逐渐增大， 而且递增的很明显。衔接：其实2000千年前，就有人在探究入射角与 衔

14、接：其实两千年前，就有人在探究入射角与折射角的关系。折射角的关系。了一千多年。公元140年，希腊天文学家托勒密第一个用实验方法测定入射角和折射角，并得出折射角与入射角成正比，这一简单正比关系，在光学史上维持早在公元140年，希腊科学家托勒密第一个用实验方法测定入射角和折射角，并得出折射角与入射角成正比这么一个结论。我们知道这一结论是错的，但是却在光学史上维持了一千多年。直到1611年开普勒才对这一结论进行修正。现在我要问大家的是，我们刚才花了几分钟时间【问题13】为什么托勒密的错误结论能够维持一千 通过一个简单的实验，就验证出托勒密给出的结论多年？因为受到当时的实验条件的限制，古时候没有激光

15、等强光源，当大角度入射时折射光线非常弱，没法进 行测量，所以只能测量小角度的入射。【问题14】讲到这里，大家有什么感悟或者体会？感悟：（1）科学的发展是曲折且艰辛的。一个正确 理论的得出，经历了一千多年的探索。（2）实验条件的进步，科学技术的进步，反过来 又促进了科学的发展。1611年开普勒对折射现象和透镜的原理作了广泛 的研究，写成了折光学，正确地指出：只在小角 度情况下，入射角与折射角成正比。同时通过光的可 逆性，从反面倒 推得出结论，并 通过实验发现了 全反射现象。但 是他未能得出更 一般的、内在的 规律。是错的，但是为什么这个成正比的结论能够维持一 千多年，而没人质疑？演示实验：增大入

16、射角，折射光线越来越弱。我们现在用的是平行性和单色性都很好而且光 强很强的激光进行实验的。而古代哪有激光，用的自然光进行实验，当大角 度入射时折射光线非常弱，没法进行测量，所以只 能测量小角度的入射。而刚才我们就已经知道，当 小角度入射时，入射角与折射角近似成正比，也就 是说在当时的条件下，托勒密的结论是正确的。讲到这里，大家有什么感悟或者体会。（提问学生，个别提问）（1）科学的发展是曲折且艰辛的。一个正确理 论的得出，经历了一千多年的探索。（2）实验条件 的进步，科学技术的进步，反过来又促进了科学的 发展。回到1611年，开普勒就正确地指出：只在小角 度情况下，入射角与折射角成正比。但是他没

17、有对大角度情况进行解释，没能得出入 射角与折射角的本质关系。开普勒衔接：既然不是成正比，那我们就进行其他猜想。猜想二：入射角平方与折射角平方成正比入射角折射角i八2rA2,ig人2101000：#DIV/0!204000：#DIV/0!309000：#DIV/0!4016000：#DIV/0!5025000：#DIV/0!6036000：#DIV/0!7049000：#DIV/0!8064000#DIV/0!衔接：既然不是成正比，那我们就进行其他猜想。会不会是入射角平方与折射角平方成正比呢？介绍表格和数据处理方式。入射角折射角i八2rA2ig八2107.510056.251.777782015

18、4002251.7777830229004841.8595402916008411.90255035250012252.040826040360016002.257045490020252.419758048640023042.77778猜想不成立。入射角折射角i八0.5r八0.5i八0.5/r八0.5103.162280,#DIV/0!204.472140#DIV/0!305.477230#DIV/0!406.324560#DIV/0!507.071070#DIV/0!607.745970#DIV/0!708.36660#DIV/0!808.944270#DIV/0!猜想三：入射角开平方与折

19、射角开平方成正比入射角折射角i八0.5r八0.5i八0.5/r八0.5107.53.162282.738611.154700520154.472143.872981.154700530225.477234.690421.167748440296.324565.385161.174440450357.071075.916081.195228660407.745976.324561.224744970458.36666.70821.247219180488.944276.92821.2909944猜想不成立。入射角折射角,i/rsinisinrsini/sinr10：#0.1740；#DIV/0!

20、20：#0.3420：#DIV/0!30：#0.50：#DIV/0!40：#0.6430：#DIV/0!50：#0.7660；#DIV/0!60：#0.8660：#DIV/0!70：#0.9390：#DIV/0!80#0.9850#DIV/0!猜想四：入射角正弦值与折射角正弦值成正比比值不相等。猜想不成立。我们继续猜想：会不会是入射角开平方与折射角开平方成正比?介绍表格和数据处理方式。比值不相等。猜想不成立。继续猜想：会不会是入射角开平方与折射角开平方成正比?介绍表格和数据处理方式。入射角折射角i/rsinisinrsini/sinr107.51.33330.1740.131.33042015

21、1.33330.3420.2591.321530221.36360.50.3741.334840291.37930.6430.4851.325950351.42860.7660.5731.335760401.50.8660.6431.347570451.55560.9390.7071.329280481.66670.9850.7431.3255猜想成立。光的折射定律:入射角与折射角的正弦值之比为一 个常数：sin I = nsin r1621年，由荷兰数学家斯涅耳采用了与开普勒基 本相同的实验方法。从实验测量中抽象出入射角与折 射角的余割之比总保持相同值。1637年，法国著名 数学家笛卡儿将余

22、割之比换成正弦之比，第一次给出 了折射定律的现代表述形式，并沿用至今。斯涅耳定律：Sin I = nsin r感悟：以前科学家花费了一千多年的时间探索出来的光 的折射定律，我们仅仅用了十几分钟就探究出来了。 这说明我们比古人要聪明吗？不是的，正如牛顿所说的，我们是站在巨人的肩膀 上。六、折射率衔接：回过头来看我们刚才得到的这个比值，约等 于1.33 .大家对这个值有没有疑问？为什么它是 1.33，而不是其他值。比值稳定在1.33左右。猜想成立。入射角与折射角的正弦值之比为一个常数，我们把这个规律叫做光的折射定律。在1621年，荷兰数学家斯涅耳。提出入射角与折射角的余割之比总保持相同值。这就是正

23、弦值比为常数的另一种表述方式。所以光的折射定律又叫做斯涅耳定律。（板书）感悟：以前科学家花费了一千多年的时间探索出来的光的折射定律，我们仅仅用了十几分钟就探究出来了。这说明我们比古人要聪明吗？不是的，正如牛顿所说的，我们是站在巨人的肩 膀上。衔接：回过头来看我们刚才得到的这个比值，约 等于1.33.大家对这个值有没有疑问？为什么它是 1.33，而不是其他值。所以，我又测了玻璃对应的比值和食用油对应的 比值。让光从空气射到玻璃中，得到的入射角与折射角正弦值之比为1.5321、折射率-是光从真空射入某种介质中时的折射 率。（光从真空射入某种介质时的折射率，叫做该种 介质的绝对折射率，也简称为某种介

24、质的折射率.相 对折射率在高中不作要求）【问题15】例题：已知，水的折射率为n, 一束单色光从水中斜射入真空，求入射角正弦值与折射角正弦值的比。Sini/sinr=1/n让光从空气射到食用油，得到的入射角与折射角 正弦值之比为1.474利用不同的介质进行实验，所得到的比值n是不 同的，我们把这个比值叫做这种介质的折射率。折射率n的定义式：（板书）门二 旦旦Ls I nr关于折射率有几点要强调：刚才测出来的 n=1.33,只能说近似等于水的折射率。（1）刚才实验的时候是让光从空气射到水中， 测出来的折射率叫做水与空气的相对折射率。一样 的道理。如果让光从玻璃射到水中，测出来的是水 相对于玻璃的折

25、射率。我如果想知道水自身的折射率怎么办？（2）让光从真空射到水中，得到的折射率就是 水的折射率，也叫水的绝对折射率。我们高中对相对折射率不做要求。（提问学生个别提问）由折射光路可逆，得Sini/sinr=1/n当光从水射入真空时，折射率等于折射角与入射 角的正弦比。京W击. Gni _就八（真空角）* n snr 页村（介质用）常见的介质折射率：金刚石2.42岩盐1.55二硫化碳L63酒精1.3M玻璃L51.9水L33水晶L55空气L000282、折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1。真空本身的折射率=1空气折射率近似等于真空折射率【问题16】折射率大小与介质密度有什么关系？密度大的介质，其

26、折射率不一定大【问题17】举例说明？酒精与水3、n的大小与介质有关，与i和r无关，对于确定的介质，n是定值，不能说nsini或n8 1/sinr4、物理意义：反映介质的光学性质的物理量。即反 映介质对光的偏折作用大小。折射率越大，对光的偏折程度越明显，反之越弱。当光从真空射入水中时，折射率等于入射角与折 射角的正弦比。总结起来就是真空中的角与水中的角正弦比。金刚石的折射率最大，2.42空气的折射率最小，1.00028，非常接近1折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1。真空本身的折射率=1空气折射率近似等于真空折射率折射率大小与介质密度有什么关系？密度大的介质，其折射率不一定大举例说明？酒精与水

27、n的大小与介质有关，与i和r无关，对于确定的 介质，n是定值，不能说nsini或nx1/sinr。 因为 . 5E 是定义式。s I nr折射率的决定式是什么呢？后面会将到。折射率是反映介质的光学性质的物理量。即反映介 质对光的偏折作用大小。折射率越大，对光的偏折程度越明显，反之越弱。以相同的角度从空气入射。玻璃折射率大，光线偏折的多。水的折射率小，光 线偏折的少。光线偏折的多，折射角反而小了。反之。衔接：有一个最本质的问题，大家在看到光的折射现象时就应该想到的。【问题18】为什么光线要发生偏折？因为光速发生了变化。【问题19】为什么不同介质的折射率不同？因为光在不同介质中的光速不一样。【问题

28、20】为什么光速要发生变化？介质对光的传播有阻碍作用。【问题21】为什么光速变化会导致光线发生偏折？解释一：惠更斯原理。解释二：光的传播总是寻求最短时间。ArL破圻冬M住&衔接：有一个最本质的问题，大家在看到光的折 射现象时就应该想到的。当一束光从一种介质斜射入另一种介质时，为什 么光线要发生偏折？因为光速发生了变化。为什么不同介质的折射率不同？因为光在不同介质中的光速不一样。当一束光从一种介质斜射入另一种介质时，光线 要发生偏折时因为光速发生了变化。那为什么光速要发生变化？我们前面学过波，波分为机械波和电磁波。声波就是一种机械波，机械波的传播时需要介质 的，声音不能在真空中传播，在空气中的速

29、度时 340，在水中的速度时1500，在钢铁中的速度时 5000.也就是说介质对于机械波的传播是有促进作 用的。光是一种电磁波，电磁波的传播是不需要介质 的，光可以在真空中传播，介质的存在反而阻碍了 光的传播，使光速减小。不同介质对光的阻碍作用 不一样，所以不同介质中的光速不一样。为什么光速变化会导致光线发生偏折？ 解释一：惠更斯原理。解释二：光的传播总是寻求最短时间。如图，已知介质的折射率n=3,假设光分别沿着 如图两条路径由A传播到B，求分别用多少时间？ 沿直线传播用的时间反而更长。5. 折射率与光速的关系:（1）某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速所以，介质的折射率本质上是由光速决定

30、的。度c跟光在这种介质中的传播速度v之比.即：v（2）决定式：（3）真空的折射率为1，其余介质折射率都大于1。折射率的等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比。（板书）由于介质中的光速比真空光速小，所以任何介质的折射率都大于一。真空的折射率等于总结:1. 在光的折射现象中，折射角随着入射角的变化而变1. 在光的折射现象中，折射角随着入射角的变化而化，而两角的正弦值之比是个常数。即n与i和r均变化，而两角的正弦值之比是个常数。即n与i和现在对折射率做一个总结:无关2. 对于不同的介质，折射率的值是不同的。2. 对于不同的介质，折射率的值是不同的。3. 介质的折射率是由介质本身性

31、质决定的，它取决于3. 介质的折射率是由介质本身性质决定的，它取决光在介质中传播的速度。于光在介质中传播的速度。r均无关七、光的射散 【问题22】作图看看一束单色光经过玻璃三棱镜的折射特点。学生画出折射光线。出射光线向底边偏折.作图方法，先画法线，后画折射光线。衔接：这是单色光经过三棱镜折射的现象。如果用衔接：这是单色光经过三棱镜折射的现象。如果用的的是白色光，经过三棱镜折射后会出现什么现象?是白色光，经过三棱镜折射后会出现什么现象?引导学生观察色散光的颜色排列。演示实验，光的射散。现象：白光经过棱镜后在光屏上形成一条彩色的光带 （红光在上端，紫光在最下端）结论：白光是由不同颜色的光组成的。棱

32、镜材料对不同色光的折射率不同【问题23】哪种颜色光的折射率最大？哪种颜色光的传播速度最快？紫光，红光折射率的总结：1. 在光的折射现象中，折射角随着入射角的变化而变 化，而两角的正弦值之比是个常数。即n与i和r均 无关2. 对于不同的介质，折射率的值是不同的。3. 介质的折射率是由介质本身性质决定的，它取决于 光在介质中传播的速度。4. 由于不同频率的色光在同一种介质中传播速度不 同，红光的传播速度最大，折射率最小，紫光的传播 速度最小，折射率最大。从以上现象，可以得出以下两个结论： 白光是由不同颜色的光组成的。 棱镜材料对不同色光的折射率不同学生一起思考回答紫光，偏折程度大，折射率最大，红光最小根据n=c/v，折射率大，速度小。红光速度最大。折射率不仅与介质本身性质有关，还与光的颜色 有关。由于不同频率的色光在同一种介质中传播速度 不同，红光的传播速度最大，折射率最小，紫光的 传播速度最小，折射率最大。八、对折射现象的解释1、水中的硬币通过如下的光路图解释：人在水上看到物体像，比实际物体位置偏上，感 觉水比较浅。现在，我们就可以对上课前提到的两种折射现象 进行解释了。利用光的折射原理解释古诗中“潭清疑水浅”，教育学生在夏天不要跑去池塘游泳。2、筷子的弯折【问题24】利用光的折射，画出光路图，画出筷子弯 折的部分，解释筷子弯折。（提示：作出筷子下端A点 的像）