选修3-4 13.1 光的反射和折射

光给了我们一个明亮的世界，可是它自己却像一团谜。人们不断争论光的问题。光学是物理学中一门古老的学科，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景。按照不同的目的，光学分为两大分支：利用几何学的概念和方法研究光的传播规律，称为几何光学；另一支主要研究光的本性以及光与物质相互作用规律，称为物理光学光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，不过在很长的时间内人们对它的认识却进展很慢。到了17世纪，科学界已经形成两种学说。一种是光的微粒说，认为光是一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播，牛顿支持微粒说。另一种是光的波动说，是惠更斯首先提出的，认为光是在空间传播的某种波。两者都能解释一些现象，但又不能解释当时观察到的全部现象。到了19世纪初，人们在实验中观察到了光的干涉、衍射现象，这是波动的特征，不能用微粒说解释，证明波动说的正确性。19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并认为光是一种电磁波。此后赫兹在实验中证实了这种假设，这样光的电磁说使光的波动说发展到了几乎完美的地步，取得了巨大的成功。但是在19世纪末又发现了新的现象—光电效应，这种现象用波动说无法解释。爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应并因此获得诺贝尔奖现在人们认识到，光即具的波动性，以具有粒子性13.1光的反射和折射光射到界面时，能进入另一种介质，同时又回到原来的介质。这样的现象分别叫光的折射和反射平面镜入射光线反射光线法线入射角反射角1.光的反射：光射到介质1、介质2的界面时，一部分光返回到介质1的现象（1）反射光线、入射光线、法线共面（3）反射光线、入射光线关于法线对称（2）反射角等于入射角（光线与法线的夹角）OAB（4）光路可逆：沿原来的反射光线入射，将沿原来入射光线射出（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二、光的折射1.定义：光从介质1斜射入介质2时，传播方向发生改变的现象θ1θ2空气水折射光线入射光线2.规律（3）当入射角增大时，折射角也随着增大（4）光路可逆：沿原来的折射光线入射，将沿原来入射光线射出当光从空气（光疏介质）斜射入水中（光密介质）时，折射角小于入射角当光从水（光密介质）斜射入空气（光疏介质），折射角大于入射角空气水思考；入射角、折射角大小关系静与介质的关系？入射角折射角θ1/θ2sinθ1/sinθ2光由空气射入玻璃时入射角θ1和出射角θ2的数值表:1.491.531.591.631.97分析表格数据思考：入射角和折射角有什么定量关系呢？1.491.491.511.501.5130019.6040025.2050030.7080040.6015013.40506.7010010.1020016.701.491.491.501.491.491.4912567834入射角正弦和折射角正弦比值相等=C斯涅耳定律思考：入射角的正弦与折射角的正弦的比为常数，它跟什么因素有关呢？光传播所通过的物质（介质）威里布里德·斯涅耳简介威里布里德·斯涅耳（1591-1626），荷兰数学家和物理学家，曾在莱顿大学担任数学教授。斯涅尔最早发现了光的折射定律，使几何光学的精确计算成为了可能。折射定律（也称斯涅耳定律）是从实验中得到的，未做任何的理论推导，虽然正确，但却从未正式公布过。只是后来惠更斯和伊萨克．沃斯两人在审查他遗留的手稿时，才看到这方面的记载。首次把折射定律表述为今天的这种形式的是笛卡儿，他没做任何的实验，只是从一些假设出发，并从理论上推导出这个定律。笛卡儿在他的《屈光学》（1637）一书中论述了这个问题。折射定律是几何学的最重要基本定律之一。斯涅耳的发现为几何光学的发展奠定了理论基础，把光学发展往大大的推进了一步。4.说明：(1)n的大小与介质有关，与i和r无关，对于确定介质，n是定值(2)折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1(n1)（原因呢？）（动摩擦因数值特点呢？）sinisinrn=2.定义式三、折射率1.定义：光从真空射入某种介质时，入射角i与折射角r的正弦比值，叫做该介质的绝对折射率n，简称折射率。3.决定式：某介质的折射率，等于光在真空中的速度C与光在介质中的速度v之比：n=cv5.几种介质的折射率(比较密度）介质折射率金刚石2.42二氧化碳1.63真空折射率=1介质折射率岩盐1.55酒精1.36水晶1.55玻璃1.5-1.8水1.33空气1.000286.意义：反映介质对光的偏折能力的大小7.折射原因：光在不同介质中的速度不同问题：玻璃是一种透明介质，光从空气入射到平行玻璃砖的界面上会发生折射，如何把玻璃的折射率测出来？四、学生实验：测玻璃砖的折射率1、原理：折射定律2、方法：用插针法研究某一条光线经过平行玻璃砖，测出折射角和入射角。空气玻璃i=?r=?界面法线rinsinsin3、实验器材：玻璃砖、白纸、大头针若干、铅笔、直尺、量角器（1）铺纸（将白纸用图钉固定在木板上）Ｏ'ＢＣＤ（2）在白纸上画一条线aa’作为界面，过aa’上的一点O（作为入射点）画法线N’N,并画AO作为入射光线（3）把玻璃砖放在白纸上，使它的一边与aa’对齐（确保O为实际入射点），确定（如何确定，联想验证平行四边形定则实验中记录力的方向）玻璃砖的另一界面bb’（确保出射点准确）步骤（边听边模仿）（6）连接OO’，入射角i=∠AON’,折射角r＝∠NOO’，用量角器量出入射角和折射角，求出对应的正弦值，记录在表格中（5）移去在大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线DC与bb’交于o’（作为实际出射点），直线O’D代表沿AO方向入射光通过玻璃砖后的传播方向（4）在直线AO上竖直插大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线让P2挡住P1的像。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（7）用上述方法求出入射角分别为300、450、600时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中（8）算出不同入射角时的入射角与折射角的正弦比值，最后求出几次实验的平均值为折射率5、注意事项：（1）入射角一般取15o→75o为宜（太小，相对误差大；太大,使折射光线弱，不易观察）（2）插针要竖直，且间距适当大些（精确确定光路）（3）插针法实验，玻璃砖不能动（移动会改变光路图）（4）确定边界线时严禁把玻璃砖当尺子用（损坏玻璃砖），画边界线时描两点确定边界线（5）玻璃砖宽度在5cm以上（让折射光线长点以减小误差）4、数据处理：（1）计算法：量角度计算（2）作图法：画一个圆与折射、入射光线相交于A、E两点，从交点作两条与法线垂直的线段，量出两条线段长度应用1：人在水上看到物体的像，比实际物体位置偏上，感觉水比较浅。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存在大气层的情况相比,A.将提前B.将延后C.不变D.在某些地区将提前,在另一些地区将延后没有大气有大气海市蜃楼现象练习：空中有一只小鸟，距水面3m，其正下方距水面4m深处有一条鱼。已知水的折射率为4/3，则鸟看水中的鱼离它m，鱼看天上的鸟离它m68