师:同学们,大家好。请准备好学习任务单,跟老师一起开始今天的学习。同学们一定很喜欢魔术,老师先给大家表演一个“神奇的硬币”。
大家看,原本放在碗底刚好看不见的硬币,加上水后又能看见了。生活中,只要留心,处处皆学问。大家想一想,生活中还见过哪些类似的现象呢?比如,把一根笔直的筷子斜放在盛有清水的碗里,筷子看起来好像弯折了;透过压在直尺上的玻璃砖看直尺,直尺的位置有些偏移。其实,这些都是光的折射现象。那么,什么是光的折射呢?光的折射又有什么规律呢?下面咱们就一起来探究。
前面我们已经学习过光在同种均匀介质中沿直线传播,那么当光遇到水面时会发生什么现象呢?光从空气射向平静的水面,除了发生反射现象,是否有部分光进入水中呢?进入水中的光线是否沿着原来的方向传播呢?下面请同学们做个实验:把一束光从空气射入水中,观察其传播路径,看看进入水中之后传播方向是否改变。
再把一束光从空气斜射入水中,观察光在空气和水中的传播路径。
通过实验,大家观察到什么现象呢?细心的同学一定发现了,光从空气垂直射入水中时,传播方向不变;光从空气倾斜射入水中时,传播方向发生改变。在物理中,我们把光从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生改变的现象叫做光的折射。需要注意,这里必须是“斜射”。
如图,我们把 AO 叫做入射光线,OB 叫做折射光线。
知道了什么是光的折射,我们能具体解释前面的问题吗?显然还不能,我们需要知道光的折射有什么规律。借鉴一下研究光的反射规律的经验,我们引入法线作为基准线,过 O 点做法线。入射光线 AO 与法线的夹角叫做入射角,折射光线 OB 与法线的夹角叫做折射角。折射光线、入射光线、法线、折射角、入射角,与光的反射相似,这里也有三线两角,那么是否有相似的规律呢?让我们先回顾一下光的反射规律:光在发生反射时,反射光线、入射光线和法线在同一平面内,反射光线、入射光线分别位于法线两侧,反射角等于入射角。在反射现象中,光路是可逆的,我们可以简单地用“三线共面,两线分居,两角相等,光路可逆”来概括这些规律。
那么光从空气斜射入其他介质中时,仿照光的反射规律,我们能提出哪些问题呢?光折射时,折射光线、入射光线、法线是否在同一平面内?折射光线、入射光线是否分别位于法线的两侧?斜射时传播方向发生改变,折射角与入射角的大小有什么关系?在折射现象中,光路是否仍然可逆?借鉴研究光的反射的方法,下面咱们通过实验探究光的折射规律。
探究一:折射光线、入射光线和法线是否在同一平面内。将折射光线所在一侧的纸板向后翻折,观察纸板上是否仍能呈现出折射光线。
探究光折射时的规律,我们选用半圆柱体的玻璃砖进行实验。将圆形的角度刻度纸放在玻璃砖下方,将玻璃砖的竖直侧面与角度刻度纸的 90 度线对齐,由光源发出照射向玻璃砖的光线为入射光线,经过分界面折射后的光线为折射光线,垂直于分界面的是法线,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。将折射光线所在区域的刻度纸向上方折起。
师:大家发现了什么?
生:纸板翻折后折射光线消失了。
师:所以说,折射光线、入射光线、法线在同一平面内,即三线共面。这里请同学们注意描述时的顺序,必须先说折射光线,再说入射光线。
探究二:折射光线、入射光线是否分别位于法线的两侧。多次改变入射光线的位置,观察折射光线的位置变化。
师:大家观察到了什么?
生:缓慢转动入射光线,可以发现入射光线、折射光线分别位于法线的两侧。
师:对,观察实验现象,我们发现折射光线和入射光线分别位于法线的两侧,即两线分居。这里同样需要注意描述时的顺序。
探究三:折射角与入射角的关系。多次改变入射角的大小,测量并记录折射角。
师:改变入射角的大小,大家发现了什么?
生:折射角也随之改变,光线从空气斜射入玻璃中时,折射角始终小于入射角。
师:实验中,我们发现光从空气斜射入玻璃中时,折射角小于入射角,且折射角随入射角的增大而增大。
探究四:折射现象中光路是否可逆。让光逆着折射光的方向射到界面,观察其出射方向。
师:选择一个角度使光线由玻璃折射向空气,描下光路的轨迹,移动光源,使得光线由折射光所在的位置射向玻璃,大家看到了什么?
生:此时的折射光线沿原入射光线的方向反向射出。
师:对,我们观察到折射光线逆着原来的入射光的方向射出,即在折射现象中光路是可逆的。
以上折射实验都是发生在空气与玻璃中。若将玻璃换成水,是否仍然有相同的规律呢?
当光从空气射入水中时,其折射角是小于入射角的。改变光的入射角度可以发现折射角始终小于入射角,并且折射光线和入射光线分居法线两侧,折射角会随着入射角的减小而减小。再次来到垂直入射这个特殊位置,我们可以看到此时光路未发生变化,折射角和入射角都是 0 度,在另外一侧入射依然符合这个规律。
下面我们再让光线从水中射入空气,此时大家可以看到在界面上同时发生了反射和折射现象,我们现在重点讨论折射现象。
师:大家观察到了什么?
生:当光从水中射入空气时,其折射角大于入射角,而且入射角减小时,折射角也随之减小。
师:向后折转活页板可以发现折射光线从面板上消失了,转回同一平面内时,折射光线又出现了,这说明什么?
