《光的反射和折射》教学设计

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[摘 要] 本课时选自现行普通高中课程标准实验教科书《物理（选修3-4）》（人民教育出版社）第十三章《光》第一节《光的反射和折射》，通过探究，寻找折射定性定量规律，从猜想到用EXCEL处理实验数据，最后验证结论。

[关键词] 光的折射 探究 数据处理

一、设计思路

（一）设计思想

本节主要讲光的折射定律和折射率的测定，也是本节的重点和难点。为了突破重点、难点，首先设计学生分小组探究实验，寻找光的折射中定性规律。在探究过程中，引导学生去发现问题，使学生产生探究的动机，从而提出问题、解决问题，培养学生的观察能力，实验能力，最后教师再用excel快速处理数据结果，验证猜想。整个教学过程中，教师是一个引导者和参与者，组织者和帮助者。课堂上教师要组织引导学生交流讨论，充分重视学生在探究过程中的情感、态度与价值观的培养。培养学生对科学的好奇心与求知欲，同时也让学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

在研究光路可逆时，用2支激光笔同时做实验，在对比中更直观的看到光路可逆。

（二）教材分析

教科书首先回顾了光的反射定律的内容，然后重点突出是光的折射。在这一节里，书上还有测定玻璃砖的折射率的实验，使得这一节容量太大，要分2课时。为了知识的完整性，第一课时内容先设计学生实验：用激光仪和半圆形玻璃砖测出玻璃砖的折射率。

（三）学情分析

光的反射定律和应用学生初中就非常熟悉，所以教师只要简单演示，学生就可回顾出光的反射定律及光路可逆。所以重点在光的折射，对折射率的理解，教师注意光路可逆原理的综合运用，灵活掌握折射率的公式。

二、教学目标

（一）知识与技能

1.认识光的反射及折射现象，知道法线、入射角、折射角的含义。

2.理解折射定律，会利用折射定律解释相关光现象。

3.理解折射率的概念。

（二）过程与方法

本节课成功的关键在于做好实验。通过实验先定性观察再定量测量，引导学生正确测量数据并进行分析、归纳，猜想并用excel工具验证，最后通过例题练习巩固所学内容。

（三）情感、态度与价值观

1.培养学生的观察、概括能力，通过相关物理量变化规律的教学，培养学生分析、推理能力。

2.培养学生的合作交流精神。

3.渗透物理研究和学习的科学态度教育。

三、教学重点：

光的折射定律、折射率概念。

四、教学难点：

光的折射定律和折射率的应用。

五、教学准备

激光仪、大烧杯、铅笔、平面镜、半圆形玻璃砖、学生探究光的折射器材（激光笔、光屏、半圆形玻璃砖），多媒体设备

六、新课教学

（一） 新课引入

去年冬天的时候，上海，江苏等地出现了三个太阳，还发现了倒挂的彩虹。新闻都听说了吧。当时好多人疑心天象有变，是不是有什么征兆。这到底是什么原因呢？其实这是一种简单的光学现象。今天，就让我们一起来学习一下光学。先来看一下这张图片，是当时出现3个太阳时所拍，拍下了6个太阳，你用初中学过的知识解释一二吗啊？

【设计意图】利用最近身边发生的光学现象，吸引学生，提高学生的学习兴趣，也让学生懂得学好物理的重要性，因为物理贴近生活。同时也引入课题。

（二）探索过程

1.反射定律

演示：光在到达空气和镜面交界面处时，光被反射回空气中，传播方向发生了改变。

反射现象：光在从一种介质进入另一种介质时，光在到达两张介质的交界面处时，一部分光被反射回原来的介质中，这种现象就光的反射。

由学生回忆、归纳反射定律的内容：三线 共面、两角相等。

学生实验：用两支激光笔观察反射现象中的光路可逆。

【设计意图】这部分比较简单，让实验直观显示反射现象和光路可逆。

2.折射定律

演示实验：光从空气进入玻璃砖表面时，观看光的反射现象。

折射现象：光从一种介质进入另一种介质中，在两种介质的界面处，传播方向发生改变，这种现象叫光的折射。

演示实验：界面、法线交待；入射光线、折射光线交待；入射角折射角交待。

光在折射中会有什么规律可循呢？请大家类比光的反射定律边实验边思考。

分组实验：看折射光和入射光的相对位置及折射角和入射角关系的观察：

【设计意图】让学生带着问题进行实验，这样目的性更强，更有利于发现折射中的规律。

3.学生总结

3.1 让学生观察折射光线、入射光线及界面的法线也是共面的；折射光线、入射光线分居在法线的两侧。

3.2 当光垂直于玻璃界面入射时，入射角为零，此时折射角也为零。（垂直入射时光线不发生偏折。

3.3 当光从空气斜射入玻璃时，入射角增大，折射角也增大，但入射角始终大于折射角。

4.深层探索

那究竟折射角与入射角之间满足什么关系呢？

4.1 自主探索

请同学们定量测量入射角和折射角，并自己设计表格记录好实验数据（建议入射角分别取10° ，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°），猜测两角之间的关系。

学生测量数据，有同学猜测正比，有同学猜测一次函数关系。

教师采用一组同学的数据，输入电脑excel表格中：

【设计意图】在采用学生数据时发现问题，并让其余学生指出问题所在：折射角测量时注意有效数字，根据最小分度，要估读到一位小数点。

利用excel中的函数关系，验证正比关系的猜想是否正确：

入射角θ1（度） 折射角θ2（度） θ1/θ2

10 6.5 1.538

20 12.9 1.550

30 19.0 1.579

40 24.8 1.613

50 30.0 1.667

60 34.3 1.749

70 37.8 1.852

80 40.0 2.000

【设计意图】当出现前3组数据时，学生很兴奋，但看到后面的数据就否定了成正比的猜测。学生亲身体验实验数据要全面，不能取得太集中；利用excel处理猜想结果，省时又方便，同学们切身体会学好计算机的重要性。

用类似的方法，发现一次函数关系也不对。那究竟会是什么关系呢？

4.2 引领探索

学生找不出更好的关系，教师提醒：我们分析数据时一般从最简单的正比反比入手，当然再复杂点就是N次幂的函数，但是经前人研究也都不是。

猜不出并不意味着我们不聪明，因为这个结论的得出经历了1500多年（学生惊愕）。实际上在公元1400年，托勒密也 曾经认为，入射角与折射角存在着简单的正比关系，但只有对比较小的入射角才大致相符，就像我们刚刚在计算中发现的那样。一直到1621年，荷兰数学家斯涅耳在分析了大量数据后终于找到了两者之间的关系，正弦值成正比。

【设计意图】让学生知道科学研究的不易。同时教师抓住教育机会，鼓励学生：在我们的学习中，我们要有百折不挠的精神和坚持就是胜利的毅力。特别在科学研究中，有时需要几代人的共同努力才能得出正确的结论。

4.3 验证演示

用正弦值来处理数据。在演示过程中，教师再用三角函数时，先直接用sin（）函数，但算到30°时学生发现它的sin值不是0.5，一定有误。合理推算excel中，计算机默认的不是角度制，而是弧度制的，所以改用函数sin（radians（））。

【设计意图】用三角函数处理实验数据，对学生有点难度，所以采用教师直接演示的方式。但教师在这里可以故意出错，好让学生发现问题，培养发现问题的能力。另一方面，也让学生体会学好英语的重要性。

表格：用正弦值来处理数据

入射角θ1（度） 折射角θ2（度） θ1/θ2 sinθ1 sinθ2 sinθ1/sinθ2

10 6.5 1.538 0.174 0.113 1.534

20 12.9 1.550 0.342 0.223 1.532

30 19.0 1.579 0.500 0.326 1.536

40 24.8 1.613 0.643 0.419 1.532

50 30.0 1.667 0.766 0.500 1.532

60 34.3 1.749 0.866 0.564 1.537

70 37.8 1.852 0.940 0.613 1.533

80 40.0 2.000 0.985 0.643 1.532

4.4 探索结论

在实验误差允许范围内，我们认为入射角的正弦与折射角的正弦成正比。即 =常数，这个比值对实验用的玻璃砖来说，大约为1.53。

结合刚才的实验结论，得出光的折射定律

（1）折射光线与入射光线、法线处在同一平面内；

（2）折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；

（3）入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即 =常数

这个比值反应了介质对光的偏折作用，反应了介质的光学性质的物理量，叫做折射率。

游戏：“找相同”（上面的介质相同都是空气，入射角相同）

“找不同”（下面的介质不同，折射角不同

【设计意图】用游戏方式开展动脑，充分调动学生的积极性。主动发现：不同介质的折射率是不同的。

对折射率的几点说明

a.强调：光从真空进入介质，

若光从介质进入真空会怎样呢？请一位同学上黑板来完成光从玻璃射入光后的折射光线。

学生犹豫了一下，最后做了自己的选择。

教师请他说明理由：光从空气射入介质，折射角小于入射角；光从玻璃射入空气，应该相反，所以折射角大于入射角。

【设计意图】引出光路可逆。表扬学生，让学生的自信心得到增强。

学生实验：用激光仪和激光笔（或用2支激光笔）对比实验：在光的折射中，光路也可逆。

所以，当光从介质射向空气时，入射角 正弦与折射角正弦之比 =

b.真空的折射率为1，其余物质的折射率均大于1.（空气折射率约为1）

研究表明，光在不同介质中的速度不同，这正是发生折射的原因。

某介质的折射率，等于光在真空中的速度C与光在介质中的速度v之比：n=

（三） 课堂巩固

录像：隐藏在碗底的硬币在随着水的注入逐渐“现身”

实验：筷子在装了水的烧杯中“折断”

筷子现象请同学们课后思考，教师指导学生画出硬币的光路图，解释碗底的硬币之谜； 乘机问要是渔夫叉鱼，该如何叉？同样，日出时，我们看到的太阳升起时，其实太阳在地平线以下，也是这个道理，都是折射。

【设计意图】教师把一串的实例放在一起，方便学生理解。筷子现象让学生课后思考，以激发学生的学习热情。

天空出现三个太阳，叫做幻日，一个是真正的太阳，其余2个是光经过空中的冰晶（天气很冷时）的折射才出现。有时天空出现彩虹或者套挂的彩虹也是光的折射导致。

【设计意图】与这节课的引入相呼应，点出三个太阳的真正来源。

（四） 课堂小结

1.反射现象、反射定律

2.折射现象、折射定律

（1）折射光线与入射光线、法线处在同一平面内；

（2）折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；

（3）入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即 =常数

3.折射率：

（1）定义式：n= ，反应介质的光学性质的物理量。

强调说明：

适用光从真空射入介质（θ1>θ2），光从介质射入真空时 = ；

介质折射率越大，对光的偏折程度越大；

介质折射率大于1（真空折射率为1，空气中折射率约为1）

（2）决定式：n= ，光在介质中传播速度越大，折射率越小。