师:同学们好,今天我们一起来学习光的折射。首先,来看一个小魔术。同学们请看,现在碗里什么都看不到,现在我们向里面缓慢加水,你们看到了什么?老师在碗底固定了一个硬币,没加水之前看不到硬币,加了水之后反而看到了,这是为什么呢?学习了今天这节课,大家就知道原因了。
我们能看到一个物体,是因为它发出或反射的光进入了我们的眼睛。那么硬币在加水之后,我们能看到它,光的传播路径到底发生了什么呢?请看下一个实验。我们用激光模拟硬币反射的光,硬币在水底,可以看到光在水中沿直线传播,在空气中通过喷射水雾,光也是沿直线传播。但是光在水和空气的分界面,大家对比看看发生了什么?
同学们,你们看到了吗?在水中光是沿直线传播的,在空气中光同样沿直线传播。但是在水和空气的分界面,光的传播路径发生了偏折,这种现象我们叫做光的折射。光的折射指的是,当光从一种物质斜射入另一种物质时,光的传播路径通常会发生偏折。这幅图是光的折射的实物图。之前我们学过光的反射,认识了相关名词,大家能不能通过光的反射的相关名词,来推断出光的折射的相关名词呢?这束光从空气斜射入水中,这是水和空气的分界面。
我们称这束光叫做入射光线,那么这束光应该叫做折射光线,因为我们学的是光的折射现象。其中入射光线与分界面有一个交点,称之为入射点。过入射点做一条垂直于分界面的法线,注意法线一定要用虚线来画。入射光线与法线的夹角叫做入射角,那折射光线与法线的夹角应该叫做折射角。光的折射现象中,这些光线有什么关系呢?这些角度又有什么关系呢?我们已经学过光的反射规律,大家还记得光的反射规律吗?光的反射规律说反射光线、入射光线、法线在同一平面内,那么在光的折射现象中,折射光线、法线、入射光线是否也在同一平面内呢?在光的反射现象中,反射光线与入射光线位于法线两侧。
那么在光的折射现象中,折射光线、入射光线与法线又有什么关系呢?是不是像光的反射现象中一样,也在法线两侧呢?在光的反射现象中,反射角等于入射角,那么在光的折射现象中,折射角与入射角又有什么关系?下面我们通过实验来进行探究。首先,光的折射光线、法线、入射光线,我们如何探究它们是否在同一平面内?之前我们在探究反射光线、入射光线与法线是否在同一平面内时,用了一个可折叠的光屏。在这里我们也有一个可折叠的光屏。请看,现在我们可以同时看到入射光线、法线、折射光线。我们把折射光线所在的光屏向后折,这时可以发现折射光线看不到了。当我们把折射光屏恢复到原来的位置,即两半光屏在同一平面,这时我们又可以同时看到入射光线、法线、折射光线。
也就是说,如果折射光线所在光屏和入射光线所在光屏不在同一平面内,就无法同时看到折射光线、入射光线、法线这三条线。只有在同一平面内,才能同时看到这三条线。这说明了折射光线、法线、入射光线在同一平面内。通过刚才这个实验,我们可以得出折射光线、法线、入射光线在同一平面内,而且我们也能观察到折射光线、入射光线在法线的两侧,这与光的反射现象中的情况类似。
在光的反射现象中,反射角等于入射角,那在光的折射现象中,折射角和入射角又是什么关系呢?我们来看这个实验。让光从空气斜射入水中,可以观察到此时入射角大于折射角,入射角增大,折射角也随之增大,但是折射角始终小于入射角;入射角减小,折射角也随之减小,但折射角仍然小于入射角。那么光如果从水中斜射入空气中是什么情况呢?可以看到,此时折射角大于入射角,入射角减小,折射角也减小,入射角增大,折射角也增大,但折射角始终大于入射角。总结来看,无论是光从空气斜射入水中,还是从水斜射入空气中,折射角都随入射角的增大而增大,随入射角的减小而减小。但是当光从空气斜射入水中,入射角大于折射角;而光从水斜射入空气中,折射角大于入射角。刚才这个实验我们可以看到,折射角并不等于入射角,折射角随入射角增大而增大,随入射角减小而减小。当光从空气斜射入水中时,折射角小于入射角;当光从水斜射入空气中时,折射角大于入射角。其实我们也可以发现,无论是光从空气斜射入水中,还是从水斜射入空气中,总是空气中的那个角要大于水中的那个角。那么光从空气斜射入玻璃,或者从玻璃斜射入空气中又是什么情况呢?我们来看这个实验,光从空气斜射入玻璃中是什么情况呢?
我们发现光从空气斜射入玻璃中,入射角大于折射角。随着入射角增大,折射角也随之增大,入射角减小,折射角也减小,但是折射角始终小于入射角,这是光从空气斜射入玻璃中的情形。那么光从玻璃斜射入空气中又是什么样的呢?
同学们请看这两条光线。光从玻璃斜射入空气中,折射角大于入射角。随着入射角的增大,折射角也增大;入射角减小,折射角也减小,但是折射角始终大于入射角。光从空气斜射入玻璃中,也是折射角小于入射角,折射角随入射角增大而增大,随入射角减小而减小。光从玻璃斜射入空气中,折射角大于入射角,但是折射角也是随入射角的增大而增大,随入射角减小而减小。
我们同样可以总结出,无论是光从空气斜射入玻璃,还是从玻璃斜射入空气中,总是空气中对应的那个角要大一些,玻璃中的那个角要小一些。总结上面三个实验,我们可以得到光的折射规律:折射光线、入射光线和法线在同一平面内;折射光线和入射光线位于法线两侧;折射角随入射角的增大而增大,随入射角减小而减小。其中第三条规律具体来说,当光从空气斜射入水或玻璃等透明物质时,折射角小于入射角;当光从水或玻璃等透明介质斜射入空气时,折射角大于入射角。在光的反射现象中,我们知道光路是可逆的,那么在光的折射现象中,光路是不是可逆的?请看下一个实验。
学习完光的折射规律,我们利用光的折射规律来进行作图,同学们可以将视频暂停一下,来画出这两条入射光线的折射光线。好,画好了吗?这两条光线都是从水斜射入空气中,折射角都要大于入射角。我们先画第一条红色光线的折射光线,满足折射角大于入射角。第二条光线的折射光线,同样也是折射角大于入射角,但是大家要注意,在光的折射规律中,第三条说折射角随入射角的增大而增大。
红蓝两条入射光线对比一下,蓝色光线的入射角明显大于红色光线的入射角,所以蓝色光线的折射光线对应的折射角应该也大于红色光线对应的折射角,这样才能满足折射角随入射角的增大而增大。所以蓝色光线应当这么画,画对了吗?如果恰好眼睛刚好在这个位置接收了这两条光线,那么人认为光是沿直线传播的,感觉这个光源还在这个位置吗?我们可以把两条折射光线进行反向延长,延长线的交点就是这个光源的像,这个像要比实际的光源位置高一些。
