資源簡介

1 光的折射
教學分析
學生在初中階段已經接觸過光的折射等知識，本節課屬于人教版2019第四章第一節內容，教師要幫助學生在已有的知識基礎上理解和掌握光的折射現象，要通過實驗探究掌握實驗方法，解決具體問題。
教學課時
2個課時
教學目標
(1)掌握折射定律，能光的折射定律解決相關問題。
(2)掌握介質的折射率的概念。
(3)經歷根據實驗原理設計測量玻璃的折射率的過程。
教學重難點
教學重點
折射定律、折射率、實驗設計、實驗操作、數據處理
教學難點
折射定律、折射率、實驗設計、數據處理
教學準備
多媒體課件、木板、白紙、圖釘、大頭針、玻璃磚、鉛筆、直尺、量角器。
教學過程
新課引入
教師設問：潭清疑水淺，荷動知魚散。這是唐代詩人儲光羲《釣魚灣》中的詩句。為什么潭清疑水淺？這就是我們這節課要解決的問題。
講授新課
一 折射定律
教師設問：請大家回顧一下初中所學的光的折射規律。
學生活動：小組內討論光的折射規律。
教師活動：播放學生初中所學的探究光的折射規律的視頻。
學生活動：觀看老師播放的視頻。
教師活動：口述學生初中所學的折射規律。
教師設問：折射角與入射角有沒有定量的關系呢？
學生活動：思考老師所提問題。
教師活動：講解折射定律。
1621年，荷蘭數學家斯涅耳在分析了大量實驗數據后，找到了兩者之間的關系，并把它總結為光的折射定律。折射光線與入射光線、法線處在同一平面內，折射光線與入射光線分別位于法線的兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比，即
式中n12是比例常數，它與入射角、折射角的大小無關，只與兩種介質的性質有關。
二 折射率
教師活動：講解折射率。
從折射定律可知，光從一種介質射入另一種介質時，入射角的正弦值跟折射角的正弦值之比是一常數n12。一般說來，對不同的介質來說，這個常數n12是不同的。
由折射定律可知，常數n12越大，光線偏折越厲害。為了表征介質的這種性質，在物理學中引入折射率的概念，并把真空的折射率確定為1，而把光從真空射入某種介質發生折射時，入射角θ1的正弦值與折射角θ2的正弦值之比n，叫作這種介質的折射率，即
折射率與介質的自身性質有關，與入射角大小無關，是一個反映介質的光學性質的物理量。
由于空氣的折射率與真空的折射率相差很小，一般情況下，可以把光從空氣射入某種介質時入射角的正弦值與折射角的正弦值之比當作是這種介質的折射率。
不同介質的折射率不同，是由光在不同的介質中的傳播速度不同引起的，折射率n與光在此介質中的傳播速度v的關系為
其中，c為真空中的光速。
由于真空中光速最大，故所有介質的折射率都大于1，且折射率越大，光在此介質中的傳播速率越小。
三 測量玻璃的折射率
教師活動：講解實驗原理。
用插針法確定入射光線和折射光線。畫出法線測出入射角θ1和折射角θ2，則n＝。
實驗器材
教師設問：請同學們根據我們的實驗設計，列舉出實驗所需要的器材。
學生活動：小組內討論實驗所需要的器材，然后小組代表發言。
教師活動：理答。
實驗所需要的器材：玻璃磚、白紙、木板、大頭針四枚、圖釘四枚、量角器、直尺、鉛筆。
實驗步驟
教師口述：請同學們根據前面的實驗設計和選定的實驗器材制訂細致的實驗操作步驟。
學生活動：小組內討論實驗操作步驟，然后小組代表發言。
教師活動：理答。
(1)如圖所示，將白紙用圖釘釘在平木板上。
(2)在白紙上畫出一條直線aa′作為界面(線)，過aa′上的一點O畫出界面的法線NN′，并畫一條線段AO作為入射光線。
(3)把長方形玻璃磚放在白紙上，使它的長邊跟aa′對齊，畫出玻璃磚的另一邊bb′。
(4)在直線AO上豎直插上兩枚大頭針P1、P2，透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像，調整視線方向直到P2的像擋住P1的像。再在觀察者一側豎直插上兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P3及P1、P2的像，記下P3、P4的位置。
(5)移去大頭針和玻璃磚，過P3、P4所在處作直線O′B與bb′交于O′，直線O′B就代表了沿AO方向入射的光線通過玻璃磚后的傳播方向。
(6)連接OO′，入射角θ1=∠AON，折射角θ2=∠O′ON′，用量角器量出入射角和折射角。
(7)用上述方法測出入射角分別為30°、45°、60°時的折射角。
師生活動：學生分組進行實驗，教師作必要指導。
數據處理
教師設問：請同學們思考怎樣通過這些數據來求玻璃的折射率。
學生活動：小組內討論老師所提問題。
教師活動：講解數據處理方法。
(1)計算法：用量角器測量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sin θ1和sin θ2。算出不同入射角時的，并取平均值。
(2)單位圓法
以入射點O為圓心，以一定長度R為半徑畫圓，交入射光線OA于E點，交折射光線OO′于E′點，過E作NN′的垂線EH，過E′作NN′的垂線E′H′。如圖所示，sin θ1＝，sin θ2＝，OE＝OE′＝R，則n＝＝。只要用刻度尺測出EH、E′H′的長度就可以求出n。
(3)圖像法
改變不同的入射角θ1，測出不同的折射角θ2，作sin θ1－sin θ2圖象，由n＝可知圖像應為直線，如圖所示，其斜率為折射率。
教師設問：請同學思考實驗中誤差的來源。
學生活動：小組內討論老師所提問題，然后小組代表發言。
教師活動：講解實驗中誤差可能的來源。
(1)入射光線、出射光線確定的準確性造成誤差，故入射側、出射側所插兩枚大頭針間距應大一些。
(2)入射角和折射角的測量造成誤差，故入射角應適當大些，以減小測量的相對誤差。
典題剖析
例1 如圖，一艘帆船靜止在湖面上，帆船的豎直桅桿頂端高出水面3 m。距水面4 m的湖底P點發出的激光束，從水面出射后恰好照射到桅桿頂端，該出射光束與豎直方向的夾角為53°(取sin 53°=0.8)。已知水的折射率為。
(1)求桅桿到P點的水平距離；
(2)船向左行駛一段距離后停止，調整由P點發出的激光束方向，當其與豎直方向夾角為45°時，從水面射出后仍照射在桅桿頂端，求船行駛的距離。
解：(1)設光束從水面射出的點到桅桿的水平距離為x1，到P點的水平距離為x2；桅桿高度為h1，P點處水深為h2；激光束在水中與豎直方向的夾角為θ.由幾何關系有
＝tan 53° ①
＝tan θ ②
由折射定律有
sin 53°＝nsin θ ③
設桅桿到P點的水平距離為x，則
x＝x1＋x2 ④
聯立①②③④式并代入題給數據得
x＝7 m ⑤
(2)設激光束在水中與豎直方向的夾角為45°時，從水面出射的方向與豎直方向夾角為i′，由折射定律有
sin i′＝nsin 45° ⑥
設船向左行駛的距離為x′，此時光束從水面射出的點到桅桿的水平距離為x1′，到P點的水平距離為x2′，則
x1′＋x2′＝x′＋x ⑦
＝tan i′ ⑧
＝tan 45° ⑨
聯立⑤⑥⑦⑧⑨式并代入題給數據得
x′＝(6－3) m≈5.5 m ⑩
例2 某小組做測定玻璃的折射率實驗，所用器材有：玻璃磚，大頭針，刻度尺，圓規，筆，白紙。
(1)下列哪些措施能夠提高實驗準確程度________。
A．選用兩光學表面間距大的玻璃磚
B．選用兩光學表面平行的玻璃磚
C．選用粗的大頭針完成實驗
D．插在玻璃磚同側的兩枚大頭針間的距離盡量大些
(2)該小組用同一套器材完成了四次實驗，記錄的玻璃磚界線和四個大頭針扎下的孔洞如下圖所示，其中實驗操作正確的是________。
(3)該小組選取了操作正確的實驗記錄，在白紙上畫出光線的徑跡，以入射點O為圓心作圓，與入射光線、折射光線分別交于A、B點，再過A、B點作法線NN′的垂線，垂足分別為C、D點，如圖所示，則玻璃的折射率n＝________。(用圖中線段的字母表示)
解析：(1)測玻璃的折射率關鍵是根據入射光線和出射光線確定在玻璃中的傳播光線，因此選用光學表面間距大的玻璃磚以及使同側兩枚大頭針的距離大些都有利于提高實驗準確程度，減小誤差；兩光學表面是否平行不影響折射率的測量，為減小誤差，應選用細長的大頭針，故選B、C錯誤。
(2)兩光學表面平行的玻璃磚的入射光線與出射光線平行，在空氣中的入射角大于玻璃中的折射角，畫圖可知正確的圖為D。
(3)玻璃的折射率n＝，又sin i＝，sin r＝，故n＝。
課堂小結
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