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1. 公式

透镜成像规律及应用 · 初二
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 描述光从一种介质斜射入另一种介质时,入射角与折射角正弦值比值为常数的定量关系。

从哪来 它建立在“1. 折射定律”这一前置知识点之上,是对该定性的几何规律进行数学量化表达的核心形式。

为什么 光在不同介质中传播速度不同。当光从光疏介质进入光密介质时,波前在界面处的传播速度发生突变,导致波阵面发生偏折。根据惠更斯原理或费马原理推导可知,入射角与折射角的正弦之比,恰好等于光在两种介质中传播速度之比的倒数,且该比值仅由介质性质决定,与入射角大小无关。

讲法
类比法:水流过浅滩 适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 讲解时,让学生想象一条河流,水流速度取决于河床深浅(介质密度)。当水流斜着从深水区(慢速/光疏)流向浅水区(快速/光密)时,先触底的一侧减速,后触底的一侧仍快,导致水流整体向“慢速区”偏折。公式 $n = \frac{\sin i}{\sin r}$ 中的 $n$ 就像是一个“阻力系数”,介质越“稠密”,这个系数越大,偏折越厉害。
讲法
实验推导法:数据找规律 适合逻辑严密、喜欢探究的学生。 展示一组实验数据表:入射角 $30^\circ, 45^\circ, 60^\circ$ 对应的折射角。让学生计算 $\frac{\sin i}{\sin r}$ 的值。学生会发现无论角度如何变,这个比值是一个定值(例如水的 $n \approx 1.33$)。由此引出公式:这个定值就是折射率,公式就是对这个恒定关系的数学表达。
讲法
矢量分解法:速度分量守恒 适合数学基础好、物理直觉强的学生。 将光波前的传播速度分解为垂直界面和平行界面两个分量。根据边界条件,平行于界面的波前传播速度分量必须连续(否则波前会断开)。由此推导出 $v_1 \sin i = v_2 \sin r$,变形即得 $\frac{\sin i}{\sin r} = \frac{v_2}{v_1} = n$。强调公式本质是速度比的倒数。
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练一道
基础题
一束光从空气斜射入水中,入射角为 $45^\circ$,已知水的折射率为 $1.33$。求折射角 $r$($\sin 45^\circ \approx 0.707$)。
变式
光从玻璃($n_1=1.5$)射向空气($n_2=1.0$),入射角为 $30^\circ$。求折射角,并判断是否发生全反射。
试试手自己判
检测题
某透明介质的折射率为 $n=2$。当光从空气射入该介质时,若折射角为 $30^\circ$,则入射角是多少?若光从该介质射向空气,入射角为 $30^\circ$,折射角是多少?
看答案和判分标准
答案:第一问:$60^\circ$;第二问:$90^\circ$(掠射)。
判对标准:
1. 第一问正确列出 $2 = \frac{\sin i}{\sin 30^\circ}$ 并算出 $\sin i = 1$,得出 $i=60^\circ$ 得 1 分。
2. 第二问正确列出 $2 \times \sin 30^\circ = 1 \times \sin r$ 并算出 $\sin r = 1$,得出 $r=90^\circ$ 得 1 分。
3. 若第二问回答“发生全反射”或“无折射光线”,需扣分,因为临界角恰好是 $30^\circ$($\sin C = 1/2$),此时光线沿界面传播,严格来说是 $90^\circ$ 折射,而非完全消失(但在初中阶段通常强调临界角概念,若学生答出临界角概念可酌情给分,但标准答案应为 $90^\circ$ 或指出处于临界状态)。*注:初二阶段通常不深究全反射,此题旨在考察公式双向运用及 $\sin$ 值范围。若学生算出 $\sin r = 1$ 即可视为掌握核心逻辑。
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