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第十二章光的折射与应用12.1光的折射一、折射定律二、折射率一、折射定律“垂钓绿湾春,春深杏花乱。潭清疑水浅,荷动知鱼散。日暮待情人,维舟绿杨岸。”这是唐朝诗人储光羲的一首诗《钓鱼湾》,请同学们思考,“潭清疑水浅”一句,反映了什么物理现象?又比如,放在水中的筷子向上弯曲了,这是为什么呢?1.光的折射、反射如右图所示,光从介质1射到它与介质2的分界面时,一部分光会返回介质1,这个现象叫做光的反射;另一部分光会进入介质2,这个现象叫做光的折射。在右图中,入射光线与法线间的夹角θ1叫做入射角,折射光线与法线间的夹角θ2叫做折射角。式中,n12为比例常数,它的大小与入射角、折射角的大小无关,只与两种介质的性质有关。实验证明: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。这就是折射定律。1221sinsinn二、折射率当光线从真空射入某种介质时,这种介质的性质直接决定了比例常数n12的大小,因此我们可以把n12简单地记为n,叫做这种介质的折射率。对于不同的介质,折射率n是不同的。物质种类折射率金刚石2.42玻璃1.5-1.9水晶1.55甘油1.47酒精1.36水1.33空气1.00028几种介质的折射率323.055.130sinsinsin012n376.033.130sinsinsin012n例题已知玻璃的折射率是1.55,水的折射率是1.33,当光线以入射角300从空气分别射入上面的两种介质时,问:(1)光线的折射角分别是多少?n12sinsinn21sinsin解(1)由折射定律知,(2)从计算结果看,当入射角一定时,光线的折射角大小与介质的折射率大小之间有什么关系?介质为玻璃时,当介质为水时,(2)从计算结果可以看出,当入射角一定时,光线的折射角随着介质折射率的增大而减小。也就是说,折射率越大的介质,对光线的折射程度也越大。体验与探索如下图,渔民在用鱼叉捕鱼时,如果直接瞄准目标,往往空手而归。这是为什么呢?根据你所学习到的光线折射的知识,想要准确地捕捉到鱼儿,我们该怎样使用鱼叉呢?12.2全反射一、全反射与临界角二、全反射的实际应用一、全反射与临界角1.光疏介质和光密介质不同介质的折射率不同,我们把折射率较小的介质称为光疏介质,折射率较大的介质称为光密介质。2.光疏介质和光密介质的相对性光疏介质与光密介质是相对的。例如水、水晶和金刚石三种物质相比较,水晶相对于水来说是光密介质,对金刚石来说则是光疏介质。所有介质相对于真空都是光密介质。光由光疏介质射入光密介质时,折射角小于入射角;光由光密介质射入光疏介质时,折射角大于入射角。3.观察光的全反射实验如下页图,让一束激光从半圆形玻璃砖的弧面沿半径射到AB界面的O点,旋转玻璃砖,改变入射角i,我们可以看到入射角i增大时,折射角r也增大,折射光线越来越暗,反射光线却逐渐变亮;当入射角i增大到某一角度时,折射角r达到90°,折射光线就完全消失了,只剩下反射光线。4.全反射和临界角由实验知:当光线从光密介质射入光疏介质,同时发生折射和反射。当入射角增大到一定角度,使折射角达到90°时,折射光线完全消失,只剩下反射光,这种现象叫做全反射,这时对应的入射角叫做临界角。光从介质射入空气时,发生全反射的临界角C与介质折射率n的关系是1sinCn水的折射率n=1.33,由公式可得C=48.8°则圆锥顶角θ=2C=97.6°1sinCn例题在潜水员看来,岸上的所有景物都出现在一个倒立的圆锥里,为什么?这个圆锥的顶角是多大?解岸上所有景物发出的光,射入水中时的入射角分布在0°~90°之间,折射角在0到临界角C之间。因此,潜水员认为水面以上所有的景物都出现在顶角为2C的圆锥里。二、全反射的实际应用1.全反射棱镜如下图所示,棱镜的横截面是等腰直角三角形。当光线垂直射入玻璃时,通过玻璃与空气的一些界面上发生的全反射,从而改变光的传播方向。与平面镜相比,它的反射率高,几乎可达100%,且反射面无需涂敷任何反光物质,所以反射失真小。应用:这种棱镜在照相机、望远镜、显微镜等光学仪器上获得了十分广泛的应用,如下图所示。2.光导纤维光导纤维利用了全反射的原理。实际用的光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝,直径只有几微米到100微米左右,主要由纤芯、包层和涂覆层组成。光在光纤中传播时,通过纤芯、包层界面发生的光的全反射,使得光在光纤内沿着锯齿形路线传播。光导纤维应用之一:光纤通信。当载有信息的激光从光纤的一端输入后,通过光纤,可以将这些信息传至遥远的另一端,从而实现光纤通信。应用之二:内窥镜。医学上用光导纤维制成,用来检查人体的食道、胃、肠等脏器的内部。内窥镜1.清晨阳光下的草叶上的露珠显得很明亮;玻璃中的气泡看起来特别明亮。你能用全反射的知识来解释这些现象吗?2.借助网络等资源,请同学们初步了解一下我国光纤通信事业发展的现状,特别是你所在地区或城市的光纤通信应用情况。体验与探索12.3透镜成像一、透镜二、光轴光心焦点焦距三、透镜成像作图法用冰取火一、透镜1.古人的奇思妙想我国西汉《淮南万毕术》中有这样的记载:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。”想一想,古人是如何用冰取火的,又是怎样削冰令其圆的吗?2.透镜:凸透镜和凹透镜两面都磨成球面,或一面是球面,另一面是平面的透明体叫做透镜。如果透镜的厚度比它的球面半径小得多,我们把这样的透镜叫做薄透镜。本书研究的透镜为薄透镜。(1)凸透镜如下页图a所示,中央厚,边缘薄,我们把它们称为凸透镜,可用下页图b表示。图a图b凸透镜对光线起会聚作用,因此凸透镜又叫会聚透镜。图c图d(2)凹透镜如图c所示,中央薄,边缘厚,我们把它们称为凹透镜,可用图d表示。凹透镜对光线起会聚作用,因此凹透镜又叫发散透镜。二、光轴光心焦点焦距1.光轴光心如左图所示,我们把通过透镜两球面球心C1、C2的直线叫做透镜的主光轴。对于薄透镜来说,主光轴与透镜可视为只有一个交点。把主光轴与透镜的交点(透镜的中心)叫做光心。2.焦点焦距平行于主光轴的光线,经凸透镜后会聚于主光轴上的一点,这个点叫做焦点,用F表示。光线实际会聚的点,称之为实焦点。实焦点虚焦点如下图所示,平行于主光轴的光线,经凹透镜后被发散,发散光线的反向延长线也交在主光轴上的一点,这个点也是焦点。不是光线实际会聚的点,称之为虚焦点。透镜焦点与光心之间的距离叫做焦距,用f表示。三、透镜成像作图法一个发光点向透镜发出的无数条光线,经过透镜后的会聚点就是发光点的像。发光点s成像用几何法作图求发光点的像,一般可利用下面三条特殊光线。(1)通过光心的光线,通过透镜后不改变方向。(2)平行于主光轴的光线,通过透镜折射后经过焦点。(3)经过焦点的光线,通过凸透镜折射后平行于主光轴。我们把物体到光心的距离叫做物距,用u表示。把像到光心的距离叫做像距,用v表示。物体位于不同区域时凸透镜所成像的情况如右图所示。对一个物体,只要找出物体上下两个端点的像,就可以确定整个物体的像,如下图所示。凸透镜成像的特点实像总是跟物体分居在透镜的两侧,且是倒立的;虚像总是跟物体位于透镜的同侧,且是正立的。凹透镜成像的特点凸透镜成像作图方法的三条特殊光线,同样也适用于凹透镜成像。不论物体AB放在凹透镜的焦点以内还是焦点以外,总是成正立的缩小的虚像。透镜成像的性质和应用相关性质和应用如下表所示。1.防止森林火灾的措施包括在森林里不允许随地丢弃透明的装液饮料瓶,请解释这项措施。2.如下图所示,字卡靠近杯子边缘字会放大,远离边缘字会缩小,请解释原因。体验与探索
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