统编人教版高中物理选修第一册1光的折

光的折射

引入：

：中国文学包罗万象，其中就蕴藏了丰富的物理知识。唐代诗人韩愈在《原道》一文中写道：“坐井而观天，曰天小者，非天小也。”天本来就不小，但因为枯井对光线的阻碍，使我们看到的天是小的。

：但如果是坐在井底的青蛙，它会告诉你，：“坐井而观天者，天亦可变大。”下面我们通过实验来展示天变大的全过程。

：（边说边做）我们将薯片桶当做是一口枯井，井底的摄像头来代替青蛙的眼睛。用给纸片代替井外的天空。在夏天的夜晚，漫天繁星，但是青蛙坐在枯井底只能看见寥寥无几的星星，这时候天降大雨，枯井灌满了雨水，乌云散去，透过青蛙的眼睛，我们发现青蛙眼中的天变大了，看见了更多的星星，这是为什么？

：想要知道为什么，我们先来学习今天的内容：光的折射。

新课教学：

：当一束光从空气射到水面时，会发生怎样的现象？

：展示光发生反射与折射的现象。

让学生观察现象，并请一位学生描述观察到的现象。

：一般来说，当光从一种介质射到与另一种介质的分界面时，一部分光会回到介质1发生反射；还有一部分光会进入介质2中发生折射，折射光线在介质2中发生了偏折，使得折射角小于入射角。（边说边做），当入射角变大时，折射角也相应变大。这说明入射角和折射角之间存在某种特殊的关系，到底是一种怎样的关系呢？这是我们本节课研究的重点。

：要想去研究它们的关系，首先我们得先测出它们的大小。那我们又应该怎样测出折射角与入射角的大小呢？（停顿半分钟）回顾初中，我们是如何测量反射角与入射角的大小的呢？（请一位学生回答）

：将一束光打在平面镜上，用量角器分别测出入射角与反射角的大小，进行比较，从而得出结论。

：类比到光的折射，我们又应该如何测量折射角与入射角的大小呢？（请学生回答，适当引导：能用一个量角器同时测量出折射角与入射角的大小吗？它们分别位于2个不同的界面中，显然不行）

：将2个量角器上下拼接在一起，这样就组成了一个可以进行度全方位测量的特殊量角器，再在量角器的中心放入一块半圆形玻璃砖，用激光笔灯照射玻璃砖的底部中心，我们就可以测量出折射角与入射角的大小。我们将这样的仪器称为“激光光学演示仪”。下面，我们就通过演示仪分别测出折射角与入射角的大小。为了读数的方便，我们可以将入射角设置为20度、30度、40度、50度、60度时，再读出折射角相应的大小。

：分别让不同的学生读数，并把读数打在表格中：

：通过表格，同学们来观察一下，折射角与入射角的大小，又有怎样的关系呢？

：它们的差值是一个定值/它们的比值是一个定值

：如果是差值是定值的话，我们试着口算一下它们的差值，发现并不是一个定值。

：我们再试着计算一下它们的比值是否为一个定值呢？它们的比值似乎在角度较小的时候确实是一个定值，，但角度再较大的时候比值也会发生变化。托勒密也在这个问题上陷入了瓶颈，但是时间并没有给他一个确切的答案。这个问题就此搁浅了十几个世纪。直到17世纪，因为光学玻璃的问世，掀起了人们研究光学物理的热潮，先后有数位科学家对折射角与入射角的大小关系进行研究。开普勒在年出版的《折光学》一书中写道：“对于两种给定的媒质，小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于玻璃或水晶，这个比约为3:2。这个比对于大的入射角不成立。”但是他得出的这个结论并没有得到人们的认可。

：又过了十年，荷兰数学家斯涅尔展开了对折射的研究，斯涅尔并没有直接测定折射角与入射角的大小，而是分别测出了折射光线在水中走过的路程s1，以及入射光线若在水中没有发生偏折时走过的路程s2,这一测，测出了科学的真相，经过大量数据的比对，斯涅尔发现这两个路程的比值是一个定值，不论以多大的角度入射，这一个比值都是不变的。如若我们将这两个路程看成是两个直角三角形的斜边，那这两个直角三角形具有一条相同的直角边l1，当两条斜边成一定的比例关系时，直角边对应的两个夹角的正弦值也成一定的比例关系，这样我们就将路程关系转化为了角度关系，这两个夹角实际上就是分别对应我们的入射角与折射角，斯涅尔通过这样的方法探究出了折射角与入射角的角度关系，但他并没有将这一结果公布于世，直到年，笛卡尔在《屈光学》一书中发表了具有现代数学形式的表达式：“正弦之比是一个定值”。下面我们通过计算来验证一下。[来源:学科网]

：验证结果表明：“入射角的正弦与折射角的正弦成正比”，但是这并不是完整的折射定律；当我们的折射光线如果与入射光线位于同一侧，我们也可以说角度成正比啊！但是，通过现象的观察，我们发现，折射光线与入射光线位于法线的两侧；但是，还不够完整（由学生总结），请一位学生来回答

：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内。

：由此我们得出了完整的折射定律。

：之前在研究中我们发现，当光从空气射向水面发生折射时，入射角要大于折射角，但如果光沿着反方向从介质射向空气呢？光又是怎样折射的呢？（让学生猜想）

：光也会沿着反方向进入空气中，由此可见：在光的折射现象中，光路也是可逆的。（板书）

：既然光路是可逆的，所以我们可以将介质射到空气中的情形等效于空气射到介质之中。但是若比较这两种情形的正弦比值，相同吗？在空气射到介质之中时，入射角大于折射角，比例常数大于1；在介质射到空气之中时，折射角大于入射角，比例常数小于1。仅仅是入射与折射的介质互换了一下，就使得比例常数不同，况且光从玻璃射向水中，从金刚石射向水中，从玻璃射向金刚石等等情形时，都会发生折射，这些情形对应的比例常数都不相等，这就给我们研究问题带来了不便。

：这时候我们类比到速度，速度也是一样，对应的参照物不同，就有成千上万个结果，但如果我们规定选取地面为参照物，这样就使得速度就可以有一个确定的值，方便我们问题的研究。

：那么，对于比例系数，我们也需要选定一个参照物，我们到底选取谁作为参照物呢？我们一般遇到的折射情景大部分都是空气射向介质，或者介质射向空气，这时候我们可以选取空气作为参照物。但是空气对光传播的影响非常的小，等效于光在真空中传播，所以我们将参照物选为“真空”，我们给这样的比例系数一个名称：绝对折射率。

：所以“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。”

：这是几种常见介质的折射率，从表格中你可以得到哪些信息呢？（请学生回答）

：在液体中的折射率比在固体中大/折射率都大于1

：为何折射率都大于1呢？这需要从折射率的本质说起，折射率到底跟什么因素有关呢？与密度有关吗？（比较金刚石、水、酒精的密度，发现与密度无关）

：实际上，折射率的表达式可以写为n=c/v(板书)，反映的是介质对光阻碍的程度；不同的介质，阻碍的本领不同，光在其中传播的速度也不同；使得不同的介质对应的折射率不同，也正是因为介质对光有了阻碍，所以速度都要小于光速，使得任何介质的折射率都要大于1，即使是空气也不例外，只是空气的阻碍非常的小，才使得折射率接近于1。

：下面，我们一起来做一个小游戏：“现在每一个小组都有一个铁盆，里面有一个磁铁，现在选取组内的一名同学做为观察员，并在保证只能看见盆底的边缘的情况下固定不动，组内另外一同学想办法在不移动盆的情况下让观察员看见盆中的磁铁。”

：当我们慢慢往盆里注水，另一名同学就可以看见盆中的磁铁。原理很简单，盆中的光刚看时沿直线传播到我们的眼睛，所以刚开始我们只能看到盆底的边缘，当我们往里面注水时：光从水中到空气中发什么了折射，在保证折光光线为不变的情况下，入射光线向右发生了平移，导致我们能够看到盆中的磁铁。

：如果现在已知这容器不是盆状的，而是一个立方体的铁盒，长与宽都为d，已知现在液体高为d/2，AB的距离为d/4，盒中液体不是水，而是油，试求：“油的折射率和光在油中传播的速度。”

：最后我们来解释一下为何“坐井观天，天亦可变大的原因”，因为青蛙在枯井底，井外的光沿直线传播到青蛙的眼睛中，使得青蛙只能看到一个直径为d1的圆形区域；当枯井灌满了水后，光线经过折射进入青蛙的眼睛，由于入射角大于折射角，使得青蛙的视野变大了，这就是为什么：“坐井而观天者，天亦可变大”的原因。

：物理来源于生活，又运用于生活！谢谢！！

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