高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 光的折射优秀学案设计

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【学习目标】
1.认识光的反射及折射现象，知道法线、入射角、反射角、折射角的含义。
2.通过实验探究，理解折射率的概念和光的折射定律。
3.会测量玻璃等材料的折射率，通过实验体会光线模型的建构过程。
【学习重难点】
1.教学重点：折射定律的应用。折射率的测量。
2.教学难点：折射定律与光路可逆原理相结合的应用
【自主预习】
光的折射
1．光的反射
(1)反射现象：光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光返回到第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
(1)折射现象：光从第1种介质射到该介质与第2种介质的分界面时，一部分光进入第2种介质的现象。
(2)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eq \f(sin θ1,sin θ2)＝n12(式中n12是比例常数)。光的折射定律的三个关键词：“同平面”“线两旁”“成正比”。
(3)在光的折射现象中，光路是可逆的。
二、折射率
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，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，即n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)。
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＝eq \f(c,v)。
【课堂探究】
【新课导入】
观察以下视频，你知道射水鱼在水中能准确射中水面上不远处的小昆虫。水中的鱼看到小昆虫在什么位置？是在昆虫的上方还是下方？
然后提问：为什么泳池水看起来比实际的浅呢？海市蜃楼是怎么形成的？

光的折射
【新课教学】
任务一、折射定律
（一）光的反射
阳光照射水面时，我们能够看到水中的鱼和草，同时也能看到太阳的倒影，这说明什么？
光从第 1 种介质射到该介质与第 2 种介质的分界面时，一部分光会返回到第1种介质，这个现象叫作光的反射。
然后提问：光的反射有什么规律？
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
（3）反射角等于入射角
（二）实验演示
演示实验，认真观察实验，光从玻璃中入射到空气中，发生了什么现象？
一部分反射了反射，一部分传播到空气中
然后提问：光的折射有什么规律？
（三）光的折射
1.光的折射：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变的现象。
2.光的折射定律
（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
(3）当光从空气斜射入玻璃中时，折射角小于入射角
（4）当光从玻璃斜射入空气中时，折射角大于入射角
（5)当入射角增大时，折射角也随着增大
入射角与折射角有什么定量关系呢？借助以下图片回答问题：
结论：入射角的正弦跟折射角的正弦成正比
观察以下图片，如果将玻璃换成其它介质，入射角和折射角的正弦之比是否具有相同的结论？
总结：光从一种介质进入到另一种介质时，总有入射角的正弦与折射角的正弦之比相等。
折射定律：
任务二、折射率
思考与讨论
观察以下图片。然后提问你还能发现什么规律？
常数与介质有关系，是一个反映介质的光学性质的物理量。常数越大，光线以相同入射角从真空斜射入这种介质时偏折的角度越大。
（二）折射率
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.定义式:
说明：（1）n的大小与θ1和θ2无关，与介质和入射光的频率有关，对于确定的介质，n是定值，不能说n∝sinθ1或n∝1/sinθ2
（2）折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1。
（3）折射率反映介质对光的偏折作用，n越大光线偏折越厉害。
(4)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。
(5)当光从折射率小的介质斜射入折射率大的介质时,入射角大于折射角,当光从折射率大的介质斜射入折射率小的介质时,入射角小于折射角。
任务三、实验：测定玻璃的折射率
（一）实验思路
玻璃是一种透明介质，光从空气入射到玻璃的界面上会发生折射，如何把玻璃的折射率测出来？
思路：选取一块玻璃砖按在白纸上，作出玻璃砖的轮廓，然后作出入射玻璃砖的光线和出射玻璃砖的光线，最后连接入射点和出射点的光线，这就是折射光线。最后测出入射角和折射角的大小，代入公式就可以得出答案。
如何作出入射光线和出射光线？
在白纸上画一条直线aa′，并取aa′上的一点O为入射点，作过O的法线NN′，画出线段AO作为入射光线，并在AO上插上P1、P2两根大头针，在白纸上放上玻璃砖，使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐，并画出另一条长边的对齐线bb′，再在另一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3、P2、P1的像，记下P3、P4位置。
（二）实验步骤
请设计出实验方案，并与其他同学交流？
学生总结分享，在学生分享基础上让学生观察规范视频。
（三）数据分析
如何进行数据分析才能得出结论？
1．平均值法
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，即为玻璃砖的折射率。
2．图象法
以sin θ1值为横坐标、以sinθ2值为纵坐标，建立直角坐标系，如图1所示。描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线。求解图线斜率k，则，故玻璃砖折射率 。
3．作图法
在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点、OO′(或OO′的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图 2所示。由于 ， ，且CO＝DO，所以折射率 。
（四）注意事项
做该实验时需要注意什么事项？
(1)实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间，P2与O点之间，P3与P4之间，P3与O′点之间距离要稍大一些。
(2)入射角θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，也不宜太小。
(3)在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面。更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。
(4)在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。
(5)玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm以上。若宽度太小，则测量误差较大。
哪些原因会导致实验有误差？
(1)入射光线和出射光线确定得不够精确，因此要求插大头针时，两大头针间距应适当大一些。
(2)入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当大些，以减小测量的相对误差。
【自我测评】
1.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
【答案】A
【详解】“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。
2．根据图中的漫画，判断下列说法中正确的是( )
A．人看到的是鱼的实像，位置变浅了些
B．人看到的是鱼的虚像，位置变深了些
C．鱼看到的是人的实像，位置偏低了些
D．鱼看到的是人的虚像，位置偏高了些
【答案】D
【详解】 人看到的是鱼发出的光线经过水面折射的光线的反向延长线相交后形成的虚像，光线从水射向空气中时，折射角大于入射角，作出从鱼S1发出的两条光路，将折射光线反向延长，得到的交点为人所看到的鱼的虚像S1′，如图所示，可以看出虚像的位置变浅了，A、B错误；同理，鱼看到的是人发出的光线经过水面折射形成的虚像，根据光路可逆原理，鱼看到人的虚像的位置偏高了，C错误，D正确。
3．有一块材料均匀、厚度一定的透明玻璃平板，一束单色光由空气照射到玻璃板上，第一次沿垂直于板面方向入射，第二次沿与板面成某一倾角方向入射，则( )
A．第一次入射时光的方向未发生偏折，说明此时光在玻璃中的传播速度与在空气中的相同
B．一、二两次光在玻璃中传播时经历的时间相同
C．一、二两次光在玻璃中传播的速度不同
D．一、二两次光在玻璃中传播的速度相同
【答案】D
【详解】光在同种介质中传播速度相同，光在不同介质中传播速度不同，故A、C错误，D正确；两次光在玻璃中通过的路程不同，则时间不同，故B错误。
4．一束光由空气射入某介质时，入射光线与反射光线间的夹角为90°，折射光线与反射光线间的夹角为105°，则该介质的折射率及光在该介质中的传播速度为( )
A．eq \r(2)，eq \r(2)c B．eq \r(3)，eq \f(\r(2)c,2)
C．eq \r(3)，eq \r(3)cD．eq \r(2)，eq \f(\r(2)c,2)
【答案】D
【详解】选D 由反射定律和题意可知，反射角和入射角均为45°，折射角为r＝180°－45°－105°＝30°，则折射率n＝eq \f(sin 45°,sin 30°)＝eq \r(2)，所以光在该介质中的速度v＝eq \f(c,n)＝eq \f(c,\r(2))＝eq \f(\r(2),2)c，故D选项正确。
5．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将________(选填“提前”或“延后”)。
【答案】延后
【详解】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点的人们将在太阳到达A′点时看到日出；而地球表面有大气层，由于空气的折射率大于1，并且离地球表面越近，大气层越密，折射率越大，太阳光将沿如图所示AB曲线射入在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，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，日出的时间提前了，所以无大气层时日出的时间将延后。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？