逍遥学能 2013-05-28 10:59
光的折射
一、知识概述
1、光从一种介质射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫做光的折射。
2、光从空气斜射入水或其他介质中时，折射光线与入射光线、法线在同一平面上；折射光线和入射光线分居法线两侧；折射角小于入射角；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。
3、在折射中光路可逆。
二、重点知识归纳
光的折射现象的解释：
光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象，叫做光的折射。光的折射致使人从一种介质看另一种介质中的物体时，看到的物体位置与实际物体位置有所区别。
1、从空气中看水中的物体
如图所示，水中物体A处的光线，由水中进入空气时在水面处发生折射，折射角大于入射角，折射光线呈发散状态，人眼根据光沿直线传播的经验逆着折射光线看去，觉得光线好像是从折射光线的反向延长线的交点A′点射的，人眼看到的是A′点，A′点在A点的上方.所以，从空气中看水中的物体，光从水斜射进入空气，眼睛看到的是由于光的折射所形成的物体的虚像，虚像在物体的上方，即看到的物体位置比物体实际位置浅。
2、从水中看空气中的物体
如图所示，空气中的A物体发出的光线，进入水面发生折射，折射角小于入射角，折射光线是发散的，眼睛逆着折射光线看去，觉得光线好像是从空气中的A′点射的，眼睛看到的就是A点的虚像A′点，由于A′点在A点的上方，所以从水中看空气中的物体，看到物体的位置比物体实际的位置高一些。
例1、下列现象中属于光的折射现象的是（ ）
A. 太阳光穿过树叶间的小空隙，在地面上留下了光斑；
B. 人在河边看见“白云”在水中飘动；
C. 斜插入水中的筷子在水下的部分看起向上弯折了；
D. 电线杆在阳光下出现影子。
解析：
太阳光穿过树叶间的小空隙在地面上留下光斑，这是小孔成像，属于光的直线传播现象；人在河边看见“白云”在水中“飘动”，水中的“白云”是白云的虚像，平静的水面相当于平面镜，这相当于平面镜成像，属于光的反射现象；斜插入水中的筷子在水下的部分看起向上弯折了，是由于水中的筷子反射的光线在水面处发生了折射，折射角大于入射角，眼睛逆着光线看去就觉得筷子向上弯折了，这是光的折射现象；电线杆在阳光下出现影子是由于光的直线传播形成的。本题答案为C。
例2、如图所示，有一条光线从空气射入某种介质，在分界面处发生反射和折射，则___________是入射光线，_________是反射光线，____________是折射光线，界面的________侧是空气。
解析：
这是一道比较经典的题目，一般就是利用光的反射定律和折射规律判断，这里我们介绍一种解这种题的巧妙方法：将图中′与NN′在平面上所分成的四个区域看成数学上的四个象限，由图可知在第一、三、四象限是相邻的，且每个象限内均有一条光线，则该三个相邻象限中的中间象限内的光线为反射光线，即OC为反射光线；再根据反射角等于入射角，很容易看出 ，所以OB为入射光线，NN′为界面，′为法线，空气中的角是最大的，由 ，所以界面的右侧为空气，答案：BO，OC，OA，右。
注：（1）若题中没有给出界面（NN′）和法线（′），我们可以模仿图，自己先画出界面和法线，从而得到四个象限，使其中有三个相邻的象限内均有一条光线，则这三个象限的中间一个象限内的光线即为反射光线。
（2）当光从一种介质斜射入另一种介质时，不管是折射角，还是入射角，总之，在我们所见的常见介质中，光在空气中的角（折射角或入射角）一般是最大的。
例3、如图1所示，一束光线斜射入容器中，并在容器底处形成一光斑，这时往容器中逐渐加水，则光斑的位置将（ ）
A．慢慢向右移动 B．慢慢向左移动
C．慢慢向水面移动 D．仍在原位置不动
解析：
如图2所示，未加水前，光线在空气中沿直线传播，在容器底处形成光斑S，往容器中逐渐加水时，光线便由空气斜射入水中，会发生折射现象，且折射角要小于入射角，当加水至图中 处时，入射点为O，过点O的光线经水折射后在容器底形成光斑 ，可见光斑向左移，继续加水至 ，同样画出折射光线形成的光斑 ，光斑也逐渐向左移，由此可知选项A、C、D都是错误的。应选B。
总结：
（1）根据光的折射现象画图分析光的折射现象是此类题目的关键；
（2）画图时一定要清楚光是从什么介质斜射入什么介质，从而可以确定折射角比入射角大或小。
例4、一束光线在空气和玻璃两种介质界面上发生了反射和折射，如图3所示，在图中标出入射光线、反射光线、折射光线的方向，并判断入射角、反射角、折射角大小及玻璃在界面的哪一方？
解析：
首先要确定界面的位置。可能是界面的有两条直线AB或CD。究竟哪一条直线为界面，用光的反射定律判断。根据反射角等于入射角，反射光线和入射光线分居法线两侧，由图3可以看出EO和FO相对于CD对称，与CD夹角都为 。因此AB为界面，则CD为法线，而EO和FO其中一条为入射光线，另一条为反射光线。
其次，通过折射光线确定入射光线，在界面AB另一侧OG肯定为折射光线，根据光的折射规律，折射光线跟入射光线分居在法线两侧，可知EO为入射光线，那么OF为反射光线。
最后通过折射角和入射角大小关系，根据光的折射规律确定介质的位置。从图3可知入射角为 ，折射角为 ，由折射角大于入射角，光线应是从别的透明物质斜射入到空气中。因此，玻璃应在界面AB的左侧，而界面AB右侧为空气。
光线方向如图4所示，入射角为 ，反射角也为 ，折射角为 ，玻璃在界面AB左侧。
A卷
一、选择题
1、光从水中进入空气时（ ）
A．光的传播方向一定发生改变 B．光的传播速度一定发生改变
C．折射角一定小于入射角 D．折射角有可能等于入射角
2、如图所示中，能正确反映出光线射到空气与水的分界面上所发生的物理现象是（ ）
A． B．
C． D．
3、如果人潜入水底后，再看岸边的树稍，他感觉到树稍的高度是（ ）
A．变高了 B．变矮了
C．高度不变 D．无法确定
4、如图所示，一束光线斜射入容器中，并在容器底形成一个光斑，这时向容器中逐渐加水，则光斑的位置将（ ）
A．向左移动 B．向右移动
C．向上移动 D．原地不动
5、一束光由玻璃斜射入空气中，入射角逐渐减小，则折射角（ ）
A．逐渐增大 B．不变
C．逐渐减小，但会大于入射角 D．逐渐增大，可能大于90°
6、当你漫步在小河边，看到岸边柳树在水中的倒影和在地上的影子，关于这两种现象形成的原因（ ）
A．都是光的折射形成的
B．都是光的反射形成的
C．倒影由光的折射形成，影子由光的反射形成
D．倒影由光的反射形成，影子由光的直线传播形成
7、如图所示，一条光线从空气射入玻璃三棱镜并射出的传播方向，正确的是（ ）
A． B．
C． D．
8、一凸透镜的焦点为F，一凹透镜的焦点为F′，让这两个透镜的一侧都正对着太阳，则在两透镜另一侧的焦点上，F与F′的温度相比（ ）
A．F点的温度较高 B．F′点的温度较高
C．两点温度一样高 D．无法判断
9、图中光线通过透镜后折射光线正确的是（ ）
A． B．
C． D．
10、以下说法中，错误的是（ ）
A．早晨，我们能看见地平线以下的太阳，这是光的反射现象
B．物体在平面镜中像的大小一定与物体大小相同
C．工程师用激光束引导掘进机沿直线前进，是利用光的直线传播
D．通过透镜光心的光线，传播方向不改变
11、晚间看星光闪烁不定，这是由于星光通过疏密不同的空气产生了（ ）
A．反射 B．漫反射
C．折射 D．反射和折射
12、有关光的反射和折射，下列说法中正确的是（ ）
A．漫反射是一种折射现象
B．平面镜成像是一种折射现象
C．光在不均匀的空气中传播的路径是弯曲的，这实际上是折射现象
D．池水看起比实际浅些，这是由于丛池底射向空气的光线，折射角小于入射角
13、平行光线在水中射过其中的气泡，折射光线将（ ）
A．平行 B．会聚
C．发散 D．不确定
14、一束光线从空气中斜射向水面时,则( )
A．只发生折射现象，折射角小于入射角
B．只发生折射现象，折射角大于入射角
C．同时发生反射和折射现象,折射角小于入射角
D．同时发生反射和折射现象,折射角大于入射角
15、在海上旅行,有时会在地平线上看到高楼大厦、热闹的市场等，实际上大海上什么也没有，这种现象叫做“海市蜃楼”，出现“海市蜃楼”的原因是（ ）
A．光在海面上反射的缘故
B．光从云层上反射的缘故
C．光沿直线传播的缘故
D．光在不均匀大气层中折射的缘故
16、在均匀木条一端缠上一小段铁丝后，放在一个装有水的大玻璃缸内，恰能竖直漂在水面，其中露出水面部分长度为l1,浸没在水中的部分长度为l2，那么从水面上斜着看下去（ ）
A．l1看起变短了些，l2不变
B．l1和l2看起都不变
C．l1和l2看起都变短了许多
D．l1长度不变，l2看起变短
提示：
1、光在水中和空气中的传播速度不同，故B对；当光垂直入射时，折射角等于入射角，故D对。
2、光由空气进入水中，在水面处同时发生反射和折射，且折射角小于入射角。
3、画出对应的光路图再判断。
4、当向容器逐渐加入水后，由于入射光线方向不变，所以随着水面升高，光线的入射点会向左移动，则在容器底形成的光斑也自然向左移动。
7、对照凸透镜上部对光线的作用而得出。
8、凸透镜的焦点是实际光线的会聚点。
10、我们能看见地平线以下的太阳，是由于光经过不均匀的大气层，发生折射的缘故。
11、大气不断流动，密度不断变化，星光透过不同大气层的折射光线也不断移动，人眼看到的星光闪烁不定。
12、A、B都是光的反射现象。池水看起比实际浅些，是由于从池底射向空气的光线，折射角大于入射角，D也不对。
13、光线先由水斜射入气体，折射角大于入射角，光继续从气体斜射入水中，折射角小于入射角，可认为“气泡”类似于“凹透镜”，对光线应是起发散作用。
14、光从空气中斜射向水面,即有反射现象产生,也有折射现象产生,反射现象遵循反射规律,折射现象遵循折射规律.所以正确答案是C.
15、海市蜃楼现象是地面上的物体发出的光射向大气层，由于大气层不均匀，折射后的光线发生弯曲，折射光线进入旅行者的眼睛中，人沿着折射光线看回去，便是地面上物体的虚像??“海市蜃楼”。
16、水上部分木条上射出的光线沿直线射入人眼，如果距离不太远，应该看起长度不会变化；水下部分就不同了，木条上射出的光线要经水和空气的界面折射后才能进入人眼，在折射时，由于折射光线远离法线，或使人觉得l2变短，选项ABC都不对，正确选项为D。
第1题 ! 正确答案为 BD
第2题 ! 正确答案为 C
第3题 ! 正确答案为 A
第4题 ! 正确答案为 A
第5题 ! 正确答案为 C
第6题 ! 正确答案为 D
第7题 ! 正确答案为 B
第8题 ! 正确答案为 A
第9题 ! 正确答案为 BC
第10题 ! 正确答案为 A
第11题 ! 正确答案为 C
第12题 ! 正确答案为 C
第13题 ! 正确答案为 C
第14题 ! 正确答案为 C
第15题 ! 正确答案为 D
第16题 ! 正确答案为 D
中考解析
如图所示，有一束入射光，由空气斜射入玻璃中，在界面处同时发生反射现象和折射现象，在图中画出空气和玻璃的分界面′和法线NN′，并标出入射光线、反射光线和折射光线。
解析：要确定界面、法线及三条光线，应注意三点：
①光由空气斜射入玻璃中时，折射角小于入射角；
②反射角等于入射角；
③反射光线、折射光线与入射光线分居在法线的两侧。
依据这三点，可以确定上图有三种不同的结论，这是一道多结论的开放性习题，如图（甲）、（乙）、（丙）所示。
外拓展
海市蜃楼
“海市蜃楼”在我们的辞典里已经不是什么新鲜的名词，可是真的要我们把它的原理说清楚的时候，恐怕还是会有很多种答案出现。拿我自己说好了，我曾经就以为它和一面镜子把太阳光反射到墙壁上的道理是一样的，可是到哪里去找这面巨大的镜子呢，我就这样把自己问住了，于是去翻书，接着就知道了这不是因为反射而产生的。
是光的折射产生了海市蜃楼。
我们先了解相关的物理知识:光线在穿过密度均匀的物质（介质）时，其传播方向和速度一般保持不变；当光线倾斜地穿过密度不同的两种介质时，在两种介质接触的地方，或者叫界面，不仅传播速度发生改变，而且行进的方向也发生偏折，这就是物理学中的光折射现象。当光线由密度较小的物质中射入密度较大的物质中，也就是说，从疏介质进入密介质时，要向垂直于界面的法线方向偏折，即折射角小于入射角。反之，折射角会大于入射角。这就是光的折射规律。
很常见的一个例子就是斜插入水中的筷子，你会发现筷子似乎是被水折断了。当然，再没有人的物理学得比我糟糕的了，所以我想当我提出这样一个问题的时候，大家应该很快就能够给出正确的答案——我们看到筷子在水下的部分是折向水面还是折向水底？
我们看这样一个示意图：
光的折射现象
从图中我们可以看到，水下的筷子反射向我们眼睛的光线在通过水和空气的分界面的时候，发生偏折，水的密度大于空气，所以折射角小于入射角。因此我们逆着光的向所看到的虚像就处于实物的上方了——筷子折向水面。用鱼叉捕鱼的人将鱼叉刺向鱼的下方才能把鱼刺中也是这个道理。
现在，我们再看海市蜃楼的原理就清楚多了。它是光线在垂直方向密度不同的大气层中传播，经过多次折射造成的结果。根据幻景的方位不同常分为上现、下现和侧现蜃景。
上现蜃景。幻象看上去像是空中楼阁
凡是幻景看上去好象是由空中某一气层反射形成，称为上现蜃景。我们知道，热空气的密度要比冷空气的密度小，所以，如果近地面层是强逆温时（气温通常是随高度增加而降低的，如果随高度增加而增加，我们称之为逆温），空气密度会随高度迅速减小，光线在这种气温随高度升高而升高（空气密度随高度升高而锐减）的气层中传播，会向下屈折，远方地平线处的楼宇等的光线经折射进入观测者眼帘，观测者看到的虚像处于实物的上方，这就是上现蜃景。
上现蜃景常出现在海上，和北方有冰雪覆盖的地方。这是因为海水表面蒸发时要消耗热量，同时海水温度的升高缓慢；而在冰雪覆盖的地区，由于冰雪面能将大部分太阳光反射掉，同时冰雪融化时也要消耗大量热量。这样，这些地方下层的温度就变得很低，最容易出现强烈的逆温现象。
下现蜃景。幻象看上去像是水中倒影
凡是幻景看上去好象由地面反射而的，称为下现蜃景。下现蜃景大都出现在热季的沙漠上或冬季暖洋流的海上。在晴朗少云且平静无风的天气里，阳光照射在干燥的沙土上，沙土温度上升极快，由于几乎没有水分蒸发，土壤分子传热极慢，热量集中在表层，接近土壤层的空气温度也因此迅速上升，当上层空气仍然很凉的时候，气温随高度很快降低，空气密度随高度很快增加，而光线在气温随高度而降低的气层内传播时会向上屈折，远方景物投向地面方向的光线，经折射后反而向上折，而进入观测者眼帘, 于是观测者就看到了如同水中的倒影似的下现蜃景。
另外，当水平方向的大气密度很不同，使大气折射率在水平方向存在很大不同的时候，便可能出现侧向蜃景。