学生实验1:在碗中盛满水,把筷子斜插到碗的底部,从侧面斜视水面,会发现水中的筷子看上去好像向上弯折了。
学生实验2:准备两个相同的杯子(最好杯底带有图案),一个不加水,一个加满水,让学生从一旁观察杯底的图案,图案好像升高了。
老师:出现上述不可思议的现象,是因为光在水和空气中传播时发生了一种光现象。为便于研究,需要光源──激光笔,还需要把光在空气和水中的路径显示出来。你有什么办法?
学生:在水中加些牛奶或肥皂水,可以显示光在水中的路径。在水面上方喷烟雾,或者利用热开水上面的“白汽”,可以显示光在空气中的路径。这都是利用了漫反射的道理。
老师:很好。(进行实验:将激光笔固定在铁架台上,往水槽内加一定量的开水,把激光笔发出的光射向热开水上面的“白汽”中),能观察到什么现象?
学生:光沿直线传播。
老师:请同学们猜猜,如果光从空气射入水中,光是否还沿直线传播?老师接着演示:将激光笔发出的光从不同角度斜射入水中,让学生观察,光束在空气中和在水中的径迹。
学生:光从空气斜射向水面时,会有一部分光反射回空气中,还有一部分光进入水中,但传播方向发生偏折。
老师:观察得很仔细!能把你观察到的画在纸上吗?画的时候要画出空气和水的分界面,过入射点的法线,画准向哪偏折。结合图,讲解光的折射现象的定义,了解入射光线、折射光线、法线、入射角、折射角等有关名词。要特别指出,折射角是折射光线与法线的夹角。
通过上面实验的观察,尝试总结出光从空气斜射入水中时的折射规律:折射光线与入射光线、法线在同一平面内;折射光线和入射光线分居法线两侧;光从空气斜射入水中时,折射光线向法线偏折,折射角小于入射角。
借助上面的实验装置,还可以通过观察得出:入射角增大时,折射角也随着增大;当光线垂直射向介质表面时,传播方向不变。
老师:我们已经知道,光在发生反射时,光路是可逆的。那么发生折射时,光路是否可逆呢?(实验:试着用另外一个激光笔,从水槽底部,逆着第一个激光笔在水中的折射光线的方向,看它的折射光线能否与第一个激光笔在空气中的入射光线重合?如果重合,说明什么?
学生:说明在发生折射时,光路是可逆的。
老师:画出光从水斜射向空气中的光路图,能否总结出折射规律?
学生:光从水斜射向空气中,折射光线远离法线,即折射角大于入射角。
老师:大家知道玻璃也是透光的,光从空气射入玻璃,以上折射规律在玻璃中是否成立呢?你可以先猜想,再实验,画出图,最后总结。为了显示进入玻璃砖前后的入射光线和出射光线,可以在玻璃砖周围制造些烟雾。
引导学生总结出以下结论:光从空气斜射入水或玻璃时,折射角小于入射角;光从水或玻璃斜射入空气时,折射角大于入射角。
老师:一会是“折射角小于入射角”,一会是“折射角大于入射角”,老师都搞混了,你们能不能发现两种情况有什么共同之处?
学生:不论入射角还是折射角,只要该角是在空气中,这个角都是大的。
老师:太好了,很好记。简记为“空气中的角总是大的”。
老师:现在同学们明白了水中筷子看上去好像向上弯折,水中的图案升高的原因吗?
学生:都是光的折射造成的。
老师:具体情况如图所示,从碗底S点发出的光线,由水进入空气时,在水面上会发生折射,折射角大于入射角,折射光线进入人眼,人眼逆着折射光线的方向看去,觉得这些光线好像是从它们反向延长线交点S′发出来的。S′就是S升高的虚像,所以,人看上去盛水的碗底好像变浅了。
老师:你们认为渔民用叉瞄准水中的鱼能叉到鱼吗?
学生:不能,因为看到的是鱼升高的虚像,实际的鱼在看到的鱼的下方。所以只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到。
老师:大家看,物理就是这么有用。光的折射现象不仅能发生在两种介质中,同种不均匀介质(如大气)中也能发生光的折射。大气中的折射现象:太阳变形、海市蜃楼、星光闪烁、当太阳还在地平线以下时,人们已经看到它等。
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