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物理——张学华——《光的折射》
发布时间:2015-01-21 17:21:49    浏览:1900 

 光的折射

 

一、光的折射

       老师:上节课我们一起学习了光的反射定律,我们知道光从一种介质照射到另一种介质时会发生反射现象。那么,在界面上还有没有别的现象发生呢?今天今天带着这个问题,我们首先来观察一个现象。我这里有一个碗,碗底固定着一枚硬币,碗倒过来,硬币不会掉下来,我们把碗放好,然后调整视角,直到恰好看不见硬币为止。好,已经看不见了,然后我们向碗里加水。我们看到硬币又出现了,水底好像也变浅了,这是什么现象呢?

       (演示碗底硬币“消失”,在倒水之后重新出现)

       老师:我们再看一个实验,把一根筷子放在空烧杯当中,可以观察到筷子完好,再次向烧杯里加水,我们看到筷子好像折了,这又是什么现象?

       (演示烧杯中的筷子在水中“变弯”)

       老师:其实并不是筷子发生了弯着,而是光在传播过程中发生了弯折,也就是今天我们要讲的光的折射。

       (写标题:第四节 光的折射)

       老师:光怎么会发生弯曲呢?我们在平时生活中没见过光还能发生弯折啊,为了让大家观察得更清楚,我再给大家演示一个实验,我这里有一个透明容器,里面有一定量的水,这里有一个胶皮塞,上面固定这一根香,我把香点燃,放入烧瓶,塞上塞子,香产生的烟雾会让光线的径迹更清晰,我用一束激光照射到容器中。我找个同学来描述这个现象,你来说一下,你看到光从什么介质斜射向什么介质?发生了什么?

       学生:光从空气斜射入水中,光的传播方向发生了偏折。

       老师:我们把光从一种介质斜射入另一种介质时发生弯折的现象称为光的折射现象。

       为了更好的描述这种现象,我们画一个折射的光路图。实线代表界面,上面是空气,下面是水,画出偏折光线,注意偏折发生在界面上,入射点为O,标出光的传播方向,射向O点的光线为入射光线,从O点射出的光线为折射光线。为了具体研究传播方向,像研究反射一样,我们做出法线,垂直于界面用虚线表示,入射光线与法线的夹角为入射角,折射光线与法线的夹角为折射角。

       (黑板画光的折射光路图)

二、光的折射规律

       老师:定义了这些概念以后,我们就来自己动手探究一下光的折射规律吧,先找个同学来说一下我们都想探究哪些规律呢?对比一下反射定律,谁来说一下?

       学生:入射光线、法线、折射光线是否在同一平面内。入射光线、折射光线是否分居法线两侧。入射角和折射角是什么关系。是否满足光路可逆原理。光线垂直于界面入射时会发生什么。

       老师:每一组同学手里都有一个的烧瓶,我还给大家准备了激光笔,注意使用的时候不要把光线对着自己和其他同学,我们把激光笔拿起来,顶在烧瓶侧壁上,打开激光笔,就可以观察了。观察过程中大家可以改变入射角,看看有什么变化。大家注意一下这个课件,我们模拟大家看到的折射现象,如果我们改变观察角度就可以验证一下入射光线、发线、折射光线是否在同一平面内了,大家试一下。

       (演示课件,并让学生开始探究活动)

       好,我们的探究暂告一段落。我请一位同学说一说得出的结论,并给大家演示一下是刚才怎么操作的。

       学生:入射光线、法线、折射光线确实在同一平面内,入射光线和折射光线分居法线两侧,折射角小于入射角。

       (学生上讲台演示)

       老师:我们一起再来看一次折射,如果光从空气斜射入水中,折射角确实小于入射角,那么如果光从水中斜射入空气中呢,折射角就大于入射角了。入射角增大的时候,折射角怎么变化呢?折射角也增大。

       (老师用演示仪进行演示给学生展示)

       老师:如果光垂直于界面入射呢?光的传播方向没有发生变化,沿原方向继续传播。如果我用另一束激光沿着刚才的折射光的反方向照射会怎么样呢?这时新的折射光和原来的入射光重合了,说明折射现象中光路是,可逆的。这就是折射定律。

       那么回到我们最初的那两个现象,碗底的硬币重新出现,其实就是因为硬币反射的光线在界面发生了折射,才进入人眼,而人认为光线总是沿直线进入人眼的,因此我们看到的硬币其实是真正硬币的虚像,这个虚像的位置比实际硬币的位置要偏高,所以我们才感到硬币又出现了,水底变浅了。筷子弯折也是同样的道理。

三、应用

       在现实生活中也会有类似的情景,比如水里有一条鱼,人站在船上看到鱼,是因为鱼反射的光线,经过水与空气的界面的折射以后进入人眼。如果人手里有一把鱼叉,那么想用鱼叉捕鱼能不能瞄准看到的鱼呢?

       学生:不能,那只是人看到的虚像的位置,人应该瞄准看到的鱼的下方。

       (课件演示鱼叉捕鱼问题)

       老师:好,刚才我们研究的是一个界面上发生的折射,如果有两个界面,那折射现象会是怎样的呢?我们再来观察一个实验,这里并排放有四块玻璃砖,我们把一根筷子放在玻璃砖后面,大家看到什么?筷子好像断成了几段,这是怎么回事呢?

       (演示四块玻璃砖的折射现象)

       筷子反射的光在传播过程中,经历了几次折射呢?

       学生:两次。

       老师:这次我们用到了玻璃,其实空气到玻璃的折射规律和空气到水非常类似,那么我们就根据刚才学过的折射定律探究一下,两次折射光线的偏折情况。请大家在讲义中完成平行玻璃砖的折射光路图,我来带着大家一起画。

       先在第一个界面入射点的位置做出法线,再画出折射光线,根据刚才的折射规律,光从空气斜射入玻璃,入射角大于折射角,再在第二个界面上也找到入射点,再做出法线,再画出折射光线,这时光从玻璃射向空气,第一次折射角和第二次入射角是什么关系呢,对,是相等的,因为是内错角,如果相等,新的入射光就相当于沿着原来的折射光反方向射入,根据光路可逆原理,第二次折射的折射角应该和第一次折射的入射角相等,其实,最终的折射光与原入射光就是平行关系,可见,光的传播方向没有发生变化,但是发生了平移,所以隔着玻璃砖看筷子,筷子就好像被断开一样。

       老师:下面请同学用今天的知识自己解决一些问题。请看讲义上的习题,一束光斜射到空容器地底部,如果逐渐向容器中加水,容器底部的光斑将如何移动呢?请大家自己画光路图推导一下。我请一位同学画在黑板上。

       (学生自己画光路图,叫一名同学上讲台画图)

       老师:这位同学画的非常好,水位升高,但折射角始终不变,这时候我们能清晰地看到光斑的移动方向。

       老师:刚才我们一直研究的是两种介质内光的折射,如果光在一种介质中传播,会发生折射吗?我们来观察一个实验。我们在这里放一个激光笔,打开激光笔,我们看到一个静止的光点。我们在激光笔前方放置一个点燃的酒精灯。我们看到烛光摇曳,光点也在晃动。其实这也是光发生折射造成的,虽然是同种介质,但是火焰周围温度很高,造成空气密度不断变化,光的折射也在不断变化造成的。晚上我们仰望天空总感觉到群星在闪烁,其实就是因为大气密度不均匀并不断流动,所以光线进入大气也发生了折射,所以我们才会感觉星光闪烁。我们一起来欣赏一下美丽的星空吧。

       (播放夜晚星空闪烁的视频)

       老师:好,今天我们一起学习了光的折射规律,学会了用折射规律解决实际问题,请同学们回去复习今天的内容,今天的课就上到这里,下课。

       今天的物理课我们一起观察了不同的折射现象,探究了光的折射定律,希望同学们在课下积极的复习,今天我们就上到这里,好,下课。同学们再见。

本课获2012年河西区双优课一等奖