[八年级物理上]第4节光的折射规律

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[八年级物理上]第4节光的折射规律

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[八年级物理上]第4节光的折射规律

更新时间：2007-4-16

第4节光的折射规律

一、本节三维目标要求
1.知识与技能
Ø         通过实验探究，知道折射光线、折射角的涵义，了解光从空气射入水中或其他介质中时的偏折规律。
Ø         了解光在发生折射时，光路的可逆性。
Ø         了解生活中的光的折射现象，并能用光的折射规律进行解释。
2.过程与方法
Ø         经历“光的折射规律”的探究过程，学习描绘光路、记录实验数据的方法。
Ø         体验由折射引起的错觉，在实验中养成实事求是的科学态度。
3.情感、态度与价值观
Ø         初步领略折射现象的美妙，获得对自然现象的热爱、亲近的情感。

二、重点与难点
本节的重点是光的折射规律，难点是用光的折射规律解释现象。

三、教学实施建议
（一）教学过程展开
本节分为三个教学板块，（1）通过实验探究，认识和归纳光的折射规律；（2）通过体验由折射引起的错觉，认识光路的可逆性；（3）通过欣赏奇异的折射现象，学习用光的折射规律解释有关简单的折射现象。
1.实验探究过程设计：
首先让学生观看海市蜃楼的图片（图4-4-1）或视频（见所附光盘），引起学生的学习兴趣。然后通过观察图4-4-2的实验现象引入课题，从而激发学生的思维，引发学生思考。
用实验演示光从空气射入水中的折射现象时，教师应引导学生从实验现象抽象出光的折射示意图，最后画出光路图，由此认识入射点、入射光线、折射光线、法线、入射角、反射角等，为进一步探究光的折射规律作准备。有许多同学认为反射现象和折射现象二者不会同时发生。但事实上常常是反射和折射同时发生。借助这个演示实验，要澄清学生的模糊认识。
实验探究中，应先介绍实验装置：激光光源、玻璃砖等。让学生猜想，一束光射到玻璃砖平面上，进入玻璃的光线将沿什么方向行进，如果改变方向，是向界面偏折呢，还是向法线偏折？明确观察目的和观察对象。实验时，应改变入射光线的方向三次，注意观察玻璃中折射光线的方向怎样改变，记录光路。实验中如何记录光路，对学生是一个难点。教师应引导学生由发光点、入射点、从玻璃的出射点来确定光路。最后，让学生总结出光从空气斜射入玻璃中时的折射规律。
由于教材面对的是刚刚接触物理的初中生，所以在这里仅仅要求学生通过自己的实验和观察得到一些有关折射现象的感性规律：“折射光线与入射光线、法线在同一平面内；折射定律和入射光线分居法线两侧；光的空气斜射入玻璃中或其他介质中时，折射光线靠近法线，折射角小于入射角。”事实上，在真正的科学史的发展历程上，人们对折射现象的认识，尤其是对折射现象的理性化认识经历了一个十分漫长和参与者众多的过程。折射定律的得来，更是集聚了无数位科学大师的智慧，折射出了大师们动人的科学精神和聪慧的科学方法。我们建议，学生探究活动后，可以适当介绍折射定律的一些科学史料，在一定的程度上可以深化学生对“科学发展的艰辛和曲折”的体会和感悟。
2.关于光路的可逆性：
小猫叉鱼问题很有趣，可以用实验模拟。由于折射成像问题比较复杂，许多学生缺乏感性认识，应该让他们到实际中体验，使他们相信折射真的产生错觉。并由此引出折射光路可逆性的讨论。
光路的可逆性也可通过实验来验证，让光由空气射入水(或玻璃)中，记下入射光线、入射点、折射光线的位置，再让光线逆着折射光线方向射入，让学生观察光线是否逆着原入射光线方向射出。
3.关于物理欣赏：
对折射的奇异现象，要求学生领略物理现象的奇异、美妙，获得对自然现象的热爱、亲近的情感。用光的折射解释课文所提供的物理现象对初中学生而言比较困难，因此只要求学生能知道这些现象是由于光的折射造成的，不必要求学生都能够进行解释。

（二）实验设计与材料准备
1.实验材料准备
图4-4-1
本节教学需要准备的材料如下：激光光源、玻璃砖、直尺、量角器、水杯、硬币等。
2.实验设计
（1）演示光的折射：将激光光学演示仪的电源激光管电流调节波段开关旋至零位，接220V交流电源。打开开关，指示灯亮，激光管射出红色光束。
将半圆柱透镜装在圆形光盘上，底边和900一900直径重合。使00一00直径垂直底边且通过光心。调节光束使其通过圆柱透镜的中心，并在盘面上发生反射。缓缓转动光盘，当入射角改变时，折射角也相应改变。
（2）探究光在水面的折射现象：在玻璃(或透明塑料)长方形水槽后插人的白色背景板（上画一个圆和以圆心O为原点的直角坐标，横坐标两端标900一900，纵坐标两端标00一00，沿圆周外侧画出角度刻线）。向槽内灌水，使槽中水面与横坐标相平。然后令光源射出的细光束由空气中射向水面上圆心0处，如图4-4-2所示，在白色背景板上显出的折射光路。利用板上刻度测出光线在空气中的人射角和水中的折射角。
图4-4-2
（3）观察光的折射：把手电筒开亮后平放在桌子的一端，观察者站在桌子的另一端，调整观察者眼睛的高度，使其比手电筒略高一点。在观察者和手电筒之间放入几本书，使其高度恰好挡住手电筒射来的光线。将纯净水瓶灌满水并用盖子旋紧，横放在书与手电筒之间，此时观察者透过书的上部，会重新看到手电筒发出的光。

四、发展空间
（一）“自我评价”参考答案：
1.左上光线为入射光线，右上光线为反射光线，右下光线为折射光线。
2.因为从光从水中射入空气将发生折射，这样的折射将使河边的观察者产生河水较实际情形浅的错觉。
（二）“物理在线”指导
    有关光纤的知识，涉及到折射率以及全反射的一些问题，学生理解难度较大。教师在进行指导或者介绍相关资料时，更多地应该侧重于将光纤与传统的电缆作比较，指出二者作为信号传输渠道的优劣，强调光的能量传输与信息传递功能，从而激发学生的研究兴趣，让学生对这一方面内容进行自主拓展，开展开放式探究活动。

五、教学资源
（一）课件
1.光的折射规律（见“教师备课系统”光盘）
（二）教学视频
1.海市蜃楼（见“教师备课系统”光盘）
图4-4-4 笛卡尔说明折射用图
（三）参考资料
1.光的折射定律建立的历史过程
光学的起源可以追溯到二、三千年前，折射现象也发现得很早，但折射定律的确立却几经沧桑，经过了漫长的岁月。
早在古希腊时代，天文学家托勒密（约90～168）就曾专门做过光的折射实验，并得出了“折射角与入射角成正比”的结论，以后阿拉伯人也进行过类似的测量。大约过了一千年，有人发现这一结论与事实不符。到了17世纪初期，开普勒也在光的折射问题上进行了实验研究，可惜的是他也没有找到正确的折射定律的表达方式。
折射定律的正确表述最早是由荷兰的数学家斯涅耳(W.Snell，1580～1626)于1621年通过实验得到的。他认为“在不同的介质里入射角和折射角的余割之比总保持相等的值”，但遗憾的是斯涅耳在世时并没有发表这一结果。直到1626年，惠更斯阅读了斯涅耳的遗稿时，才将这一结果发表。
此后不久，笛卡尔也推导出了同一结果。他在其名著《方法论》的附录中，本着微粒说的理论，借助球的运动类比着阐述了光的折射问题。笛卡尔写道：“首先，设想球从A被击向B（如图1），打到B点，CBE不是地面，而是薄脆的布，球穿过布，只损失了部分速度，例如损失了一半。我们假设过，为了确定它的路径，……运动的趋势可看成是由两部分组成，其中只有从上而下的运动因与布相碰而必有变化，至于那向右的运动趋势，则总是与过去一样，因为布并没有在这个方向与球相碰。我们再从中心B画圆AFD，做三条直线AC、HB、FE，各与CBE成直角，并要求FE与HB之间的距离为HB与AC之间的距离的两倍。于是我们看到，球应该向I点运动。因为，既然球在穿过布时损失了一半速度，那么它从B下落到圆周AFD上某一点所需要时间，应等于A到B的两倍，而向右的运动趋势并无损失，所以在两倍时间内通过的距离应等于AC到HB的两倍，结果应在同一时刻到达FE线上的某一点。只有到达I点，其他任何点都不可能，因为在布CBE之下，只有I点是圆AFD和直线FE的交点。”
图4-4-5 费马推导折     射定律用图
设图2中光在上层媒质的速度为，入射角为；光在下层媒质的速度为，折射角为，则：    由此得：常数。
这正是折射定律的正弦表达式，但还不完全等同于我们今天已经成熟了的表达方式。此外笛卡尔的推导是基于媒质交界面两侧光速的平行分量相等的假设。为了使理论结果与实验数据相符，他还必须假设密媒质光速比疏媒质大。现在看来这里的两个假设显然都是错误的。
笛卡尔的推导受到了费马（Pierr Fermat，1601-1665）的批评。1661年，费马将数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。光学中的费马原理用现代的数学语言可表述为：
δl=0，l为光程。
假设图2中上层为光疏介质，光速为vi，下层为光密介质，光速为vr，光从C到达I所需时间为：。令，则要求
最小值=M
将上式对求导       ，         即得：
由此得：
于是，费马得到了正确的结论，并为折射定律提供了严格的证明。
选自《物理通报》
2.光纤
光导纤维是利用全反射规律而使光沿着弯曲途径传播的光学元件。它由非常细的纤维组成束，每束约有几万根，每根直径约为5～10微米，可用玻璃、石英、塑料等材料在高温下控制而成。一束光缆中的一根光纤可以实现一万条以上电话线的信息传递，它已被广泛地应用于光学窥视（传光、传像等）和光通讯。
光纤的构造由里至外主要包括三部分：①核心部分(Core)，即光纤中传递光信号的部分；②外壳部分(Cladding)：即被覆在核心外围的部分，为使光线能在核心中传送，所以核心部份的折射率必须比外壳折射率要大，才能造成全反射；③保护层(Jacket)，保护在外壳周围，以防止损害光纤的外壳及核心。
光纤的原理如下两图，

图4-4-6 光纤的原理

在图4-4-6中，单箭头线表示临界光线，它在核心与外壳的分界面上的入射角等于或小于临界角A。若在折射率为n0的媒质中入射角大于i0的那些光线（以双箭头表示），在n1、n2分界面上的入射角就小于A，这些光线无法通过纤维而在其中传播。只有在媒质n0中其顶角为2i0的锥体内的全部光线才能在光学纤维中传播，根据临界角的定义。
和折射定律
n0sini0=n1sini1
可得
所以对于一定的n1和n2，i0的值是固定的，纤维所容许传播的光线所占的范围是一定的。要使更大范围内的光束能在光学纤维中传播，应该选择n1和n2的差值较大的材料。通常把n0sini0的值叫做光导纤维的数值孔径。
光导纤维可用于潜望镜和内窥视系统，它可以窥视人眼所观察不到的或有损于人体健康的地方。国防上可以制成各种坦克、飞机或舰艇上的潜望镜。医学上可以用来制作胃、食道、膀胱等内腔部位进行检查和诊断的各种医用窥镜。配有大功率激光传输的光学纤维，还可进行内腔激光治疗。由于光纤通讯比电通讯具有许多优点，诸如抗电磁干扰性强、频带宽和保密性好、通讯容量大，设备轻巧，制取纤维的二氧化硅的资源又十分丰富。光纤的问世，为通讯技术开辟了更广阔的天地。

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