俗话说,“眼见为实”,可为什么筷子斜放在盛有清水的碗中,水中的筷子要向上弯折;到河边玩,想抓起水里的石头,结果一伸手没抓到,却需要把手伸得更深一点才能拿到;这究竟是为什么呢?这就是神奇的光的折射现象.
一、光的折射现象
光在“同一种均匀介质”中是沿直线传播的,而光的折射是光射到两种不同介质表面的另一种传播行为.我们可以做这样一个实验: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.这个实验告诉我们:当光从一种物质射入另一种物质时传播方向会发生改变,在物理学中把这种现象叫做光的折射.关于光的折射现象我们应该掌握几个基本的概念,这几个概念与光的反射现象中的几个概念很相似,具体内容如下:
1.一点:即入射点O;
2.二角:即入射角∠α、折射角∠β;
3.三线:即入射光线AO、折射光线OB、法线;应注意折射角与入射角都是指相应光线与法线的夹角,在确定折射角与入射角时,法线是关键.
二、光的折射规律
光在反射时遵循光的反射定律,光在折射时也遵循一定的规律,这个规律称为光的折射规律.我们可以用激光光源、半圆形玻璃砖、量角器、直尺等器材来探究这个规律.
让一束光射到玻璃砖平面上,观察入射光线与折射光线与法线的关系.我们将会发现:三线在同一平面内;进入玻璃的光线方向将发生改变,并且向法线偏折.实验时,再改变入射光线的方向几次,注意观察玻璃中折射光线的方向如何改变,记录光路.再让一束光由玻璃砖中射入空气中,多做几次实验并仔细观察现象同时记录光路.最后,我们可以总结出光从空气斜射入玻璃中时以及光从玻璃中射入空气中的折射规律.(如***1)
1.内容:当光从空气斜射入玻璃或其他介质中时,折射光线与入射光线和法线在同一平面内;折射光线与入射光线分居法线两侧;折射角小于入射角;当入射角增大时,折射角也随着增大;当光线垂直射向介质表面时,传播方向不改变.
2.在理解光的折射规律时需要注意的几个问题:
a.叙述光的折射规律时,注意因果关系,“入射”决定了“折射”,所以应把“折射”叙述在前面;
b.因为当光垂直界面入射时,传播方向不改变,故在发生光的折射时,光线的传播方向一般会发生改变,而不是一定改变;
c.在光的折射中,光路也是可逆的,即光线的传播方向相反时,光传播的路径仍不变(沿原路返回);
d.要注意折射角与入射角的大小关系:本节知识中,折射角与入射角的大小关系容易混淆,有的同学不知道何时折射角小于入射角、何时折射角大于入射角.其实光折射的原因是因为光在不同介质中的速度不同,即光从光速大的介质进入光速小的介质时,要向接近法线方向折射,即折射角小于入射角;光从光速小的介质进入光速大的介质时,要离开法线折射,即折射角大于入射角.光在真空中速度最大,其次是空气,因此这里给同学们介绍一种简便的判断方法:不论是入射光线还是折射光线,在空气中的光线与法线的夹角都大于在水中的光线与法线的夹角,再大于在玻璃中的光线与法线的夹角.
三、光的折射的应用
利用光的折射规律作***是本节考试的热点,利用光的折射规律解释生活中的现象,是今后本节知识命题的方向,因此利用光的折射规律作***和利用光的折射规律解释生活中的现象,是同学们必须掌握的一项基本能力.
在利用光的折射规律作***时,首先应明确光是从哪种物质射入哪种物质的,然后再作出法线,根据折射规律的有关要求,作出相应的入射光线和折射光线等.
利用光的折射规律解释生活中的现象,首先要知道人看到物,是光从物处出发进入人眼.人看到水中的筷子,是光线从筷子处出发,在水和空气的分界面处发生折射后进入人眼,而人总是依照光射来的直线方向去判断光源的位置,即;水中的筷子看起来向上弯折.如***2所示.
同样的道理,就不难理解水中的物体(鱼、石头、河床等)看起来的位置都比实际的位置要浅.
生活中,我们从一种介质看另一种介质中的物体时,所看到的都不是物体本身,而是物体的虚像,这一点同学们必须注意,做题时,同学们要弄清题意,认真分析才不会出错.
光的折射现象不仅在我们的日常生活会见到.实际上我们早晨看到的太阳并不是真实的太阳,而是太阳的虚像.早晨太阳还没有露出地平线,我们就可以看到.这是因为光从真空射入大气层时,方向改变很微小,空气越稀薄,方向改变越小.但是由于包围地球的大气层很厚,且自下向上分布逐渐稀薄,由于温度等的影响,也使空气对光折射.因此当我们看到太阳从地平线上刚刚升起时,其实它完全处于地平线的下方,看到的只是太阳的虚像.我们看到的天置(星星)要比实际位置高一些,也是因为从遥远天体来的光穿过大气层时,光线也会偏离原来的方向,从遥远天体传来的光在地球大气中传播的路径并不是一条直线,设想地球表面的空气是由许许多多水平层组成,每层内空气密度基本相同.而下一层的密度比上一层要大,天体射来的光从上一层进入下一层时,方向要向法线方向偏折.结果看到的天置(星星)要比实际位置高一些,这种效应越接近地面越明显.生活中自然界还有很多光的折射的其他现象,同学们可以试着用光的折射知识加以解释.
总之,光的折射规律和光的反射定律一样都是光传播的一个重要部分,光的折射规律是光传播规律的进一步学习.它与日常生活实际的光现象密切相联,因此,这部分的内容既是全章的重点,也有着重要的现实意义.同学们应努力学好本节的知识,并把它应用到日常生活中,真正体现物理知识是从生活中来的还要应用到生活中去的新课程理念!