4.1光的折射教學(xué)設(shè)計一、核心素養(yǎng)目標1.物理觀念（1）通過實驗觀察與分析，準確理解光的折射現(xiàn)象，明確折射光線、入射光線、法線、入射角、折射角等基本概念，能在光路圖中規(guī)范標注相關(guān)物理量。（2）掌握光的折射定律，理解定律的核心內(nèi)涵——折射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi)（共面性），折射光線與入射光線分別位于法線兩側(cè)（異側(cè)性），入射角的正弦與折射角的正弦成正比（定量關(guān)系），能運用定律解釋生活中的折射實例。（3）理解折射率的物理意義，知道折射率是反映介質(zhì)光學(xué)特性的物理量，明確其定義式與決定因素，能結(jié)合常見介質(zhì)的折射率數(shù)據(jù)分析光的傳播規(guī)律。2.科學(xué)思維（1）通過對折射實驗數(shù)據(jù)的處理與分析，經(jīng)歷從定性觀察到定量總結(jié)的思維過程，培養(yǎng)歸納推理能力，體會“控制變量法”在探究折射規(guī)律中的應(yīng)用。（2）能運用光的折射定律解決光路作圖、角度計算等問題，建立“物理模型”思維，將復(fù)雜的實際情境轉(zhuǎn)化為簡潔的物理光路模型。（3）通過對比光的反射定律與折射定律，培養(yǎng)類比遷移能力，深化對光的傳播規(guī)律的系統(tǒng)性認識。3.科學(xué)探究（1）參與“探究光的折射規(guī)律”實驗，能自主完成實驗器材的組裝與調(diào)試，規(guī)范記錄實驗數(shù)據(jù)，分析實驗誤差產(chǎn)生的原因并提出改進建議，提升實驗操作與數(shù)據(jù)處理能力。（2）在探究折射率與介質(zhì)關(guān)系的活動中，能設(shè)計簡單的實驗方案，通過對比不同介質(zhì)中的折射現(xiàn)象，歸納折射率的特性，培養(yǎng)科學(xué)探究的嚴謹性與創(chuàng)新性。4.科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任（1）通過了解折射現(xiàn)象在生活、科技中的應(yīng)用（如光纖通信、顯微鏡、海市蜃樓等），認識物理學(xué)與生產(chǎn)生活的緊密聯(lián)系，激發(fā)對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。（2）在實驗探究過程中，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度，尊重實驗數(shù)據(jù)，樂于與同伴合作交流，共同解決探究中遇到的問題。（3）結(jié)合光纖通信等科技成果，體會物理學(xué)對推動社會發(fā)展的重要作用，增強科技自信與社會責(zé)任感。二、教學(xué)重難點1.教學(xué)重點（1）光的折射定律的理解與應(yīng)用，包括定律的定性結(jié)論與定量關(guān)系，能運用定律進行光路分析與角度計算。（2）折射率的物理意義與定義式的應(yīng)用，明確折射率與光在介質(zhì)中傳播速度的關(guān)系。（3）光的折射現(xiàn)象的解釋與光路作圖規(guī)范。2.教學(xué)難點（1）光的折射定律中“入射角的正弦與折射角的正弦成正比”的定量關(guān)系的推導(dǎo)與理解，突破“入射角與折射角成正比”的思維誤區(qū)。（2）折射率的物理意義的深化理解，明確折射率是介質(zhì)本身的屬性，與入射角、折射角無關(guān)。（3）復(fù)雜情境下的折射問題分析，如多介質(zhì)界面的光路計算、結(jié)合生活實例的折射現(xiàn)象解釋。三、教學(xué)環(huán)節(jié)（一）情境導(dǎo)入：激發(fā)認知沖突1.展示兩組生活情境圖片與視頻：①漁民叉魚時“叉向魚的下方”才能叉到魚；②將筷子斜插入盛水的玻璃杯中，筷子“向上彎折”；③雨后天空出現(xiàn)的彩虹。2.提出問題鏈引導(dǎo)思考：“為什么漁民不直接叉向看到的魚的位置？”“筷子在水中真的彎折了嗎？”“彩虹的形成與光的傳播有什么關(guān)系？”3.回顧舊知：引導(dǎo)學(xué)生回憶光的直線傳播與反射定律，明確“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”，而上述現(xiàn)象均發(fā)生在“光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)”的過程中，從而引出課題——光的折射。設(shè)計意圖：通過生活中熟悉的現(xiàn)象制造認知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，同時建立新舊知識的聯(lián)系，為新知學(xué)習(xí)鋪墊。（二）新知探究一：光的折射現(xiàn)象與基本概念1.演示實驗：利用激光筆、透明水槽、白色光屏等器材，演示光從空氣斜射入水中的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察：激光筆發(fā)出的光線在空氣與水的分界面處，除了有部分光線反射回空氣（反射光線），還有部分光線進入水中并改變傳播方向（折射光線）。2.概念構(gòu)建：結(jié)合光路圖，逐一明確以下概念：（1）入射光線：射向兩種介質(zhì)分界面的光線（用實線表示，標箭頭指向界面）；（2）折射光線：從兩種介質(zhì)分界面射入第二種介質(zhì)的光線（用實線表示，標箭頭指向第二種介質(zhì)）；（3）法線：過入射點垂直于兩種介質(zhì)分界面的虛線；（4）入射角（i）：入射光線與法線的夾角；（5）折射角（r）：折射光線與法線的夾角。3.即時反饋：讓學(xué)生在練習(xí)本上繪制光從水斜射入空氣的光路圖，并標注出各概念，教師巡視指導(dǎo)，糾正標注不規(guī)范的問題（如將入射角標為入射光線與界面的夾角）。（三）新知探究二：探究光的折射定律1.提出探究問題：光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，折射光線、入射光線與法線之間存在怎樣的關(guān)系？入射角與折射角之間有什么定量規(guī)律？2.實驗設(shè)計：采用“控制變量法”，利用激光光學(xué)實驗臺（含可旋轉(zhuǎn)的量角器、透明玻璃磚）進行實驗，具體步驟：（1）將玻璃磚放在實驗臺的白紙上，畫出玻璃磚的邊界線與法線，確定入射點；（2）固定激光筆的位置，使入射光線以一定的入射角（如10°）射向入射點，在玻璃磚的另一側(cè)確定折射光線的出射點，畫出折射光線；（3）改變?nèi)肷浣牵ㄒ来螢?0°、30°、40°、50°、60°），重復(fù)上述實驗，記錄每次的入射角i與折射角r；（4）將實驗數(shù)據(jù)填入表格，并計算每次實驗中sini與sinr的比值。3.數(shù)據(jù)處理與分析：（1）定性分析：引導(dǎo)學(xué)生觀察光路圖，得出結(jié)論①：折射光線與入射光線、法線在同一平面內(nèi)（將光屏向后折轉(zhuǎn)，無法觀察到折射光線，證明共面性）；結(jié)論②：折射光線與入射光線分別位于法線兩側(cè)（異側(cè)性）。（2）定量分析：展示學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)表格（示例如下），引導(dǎo)學(xué)生計算sini/sinr的比值，發(fā)現(xiàn)其比值基本恒定（誤差范圍內(nèi)）。實驗次數(shù)入射角i/°sini折射角r/°sinrsini/sinr1100.173670.12191.4242200.3420130.22501.5203300.5000190.32561.5364400.6428250.42261.521（3）歸納定律：結(jié)合定性與定量結(jié)論，總結(jié)光的折射定律（斯涅爾定律）：①折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；②折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；③入射角的正弦與折射角的正弦成正比，即sini/sinr=n（n為比例常數(shù)，與兩種介質(zhì)的種類有關(guān)）。4.誤區(qū)辨析：通過實驗數(shù)據(jù)對比，明確“入射角與折射角成正比”的錯誤性（如入射角從10°增至20°，折射角從7°增至13°，并非兩倍關(guān)系，而sini/sinr基本恒定），強化對定律定量關(guān)系的準確理解。（四）新知探究三：折射率1.定義引入：結(jié)合探究實驗中“sini/sinr=常數(shù)”的結(jié)論，指出該常數(shù)反映了光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時的偏折程度，由此定義“折射率”：光從真空射入某種介質(zhì)時，入射角的正弦與折射角的正弦的比值，叫做這種介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率，用符號n表示。2.公式與單位：（1）定義式：n=sini/sinr（i為光在真空中的入射角，r為光在介質(zhì)中的折射角）；（2）補充公式：結(jié)合光速與折射率的關(guān)系，給出n=c/v（c為光在真空中的傳播速度，c=3×10?m/s；v為光在該介質(zhì)中的傳播速度）；（3）單位：折射率是比值定義的物理量，無單位。3.物理意義：引導(dǎo)學(xué)生分析n=c/v，得出結(jié)論：折射率越大，光在介質(zhì)中的傳播速度越小，光從真空射入該介質(zhì)時的偏折程度越大（如玻璃的折射率n≈1.5，水的n≈1.33，說明光在水中的傳播速度比在玻璃中大，從空氣射入玻璃時的偏折程度比射入水時大）。4.常見介質(zhì)的折射率：展示表格，明確“真空的折射率n=1，空氣的折射率近似為1，其他介質(zhì)的折射率均大于1”，強化“折射率是介質(zhì)本身屬性”的認知（與入射角、折射角無關(guān)，僅由介質(zhì)種類和光的頻率決定）。介質(zhì)折射率介質(zhì)折射率真空1玻璃1.5~1.6空氣約1.0003水晶1.55水1.33金剛石2.42（五）新知應(yīng)用：解決實際問題1.解釋導(dǎo)入情境：引導(dǎo)學(xué)生運用折射定律解釋“筷子彎折”現(xiàn)象——光從水中斜射入空氣時，折射角大于入射角，折射光線遠離法線，人眼逆著折射光線看去，看到的是筷子的虛像，虛像的位置比實際位置偏高，因此感覺筷子“向上彎折”。同理解釋漁民叉魚的原理，強化“理論聯(lián)系實際”的能力。2.光路作圖示范：以“光從空氣斜射入玻璃，再從玻璃斜射入空氣”為例，示范光路圖的繪制步驟：①畫出兩種介質(zhì)的分界面與法線；②根據(jù)入射點確定入射光線，標注入射角；③根據(jù)折射定律確定第一次折射的折射光線（折射角小于入射角）；④以第二次入射點為起點，確定從玻璃射入空氣的折射光線（折射角大于入射角，且最終的出射光線與初始入射光線平行），強調(diào)“光路可逆性”在作圖中的應(yīng)用。3.角度計算示例：已知光從空氣（n?≈1）射入水中（n?=1.33），入射角i=30°，求折射角r。解題步驟：①明確已知條件：n?=1，n?=1.33，i=30°；②根據(jù)折射定律，光從空氣射入水中時，n?=sini/sinr；③代入數(shù)據(jù)：sinr=sini/n?=sin30°/1.33≈0.5/1.33≈0.376；④查三角函數(shù)表得r≈22°，規(guī)范書寫解題過程。（六）核心知識歸納：構(gòu)建知識體系1.折射現(xiàn)象：光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象（垂直入射時傳播方向不變，折射角=入射角=0°）。2.折射定律：三線共面、兩線異側(cè)、sini/sinr=常數(shù)。3.折射率：（1）定義：光從真空射入介質(zhì)時，sini/sinr的比值；（2）公式：n=sini/sinr=c/v；（3）特性：介質(zhì)本身屬性，n≥1，與光速成反比。4.應(yīng)用：光路作圖、角度計算、解釋生活現(xiàn)象（叉魚、筷子彎折、彩虹等）。四、課堂練習(xí)與答案解析1.基礎(chǔ)概念題（1）下列關(guān)于光的折射現(xiàn)象的說法中，正確的是（）A.光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，傳播方向一定改變B.折射光線與入射光線一定在同一平面內(nèi)C.折射角一定小于入射角D.光的折射現(xiàn)象中，光路是不可逆的（2）光從空氣斜射入玻璃中，已知空氣的折射率n?=1，玻璃的折射率n?=1.5，若入射角為60°，則折射角的正弦值為（）A.√3/3B.√3/2C.√3/4D.1/2（3）請畫出光從水斜射入空氣時的光路圖，并標注入射光線、折射光線、法線、入射角i和折射角r。2.能力應(yīng)用題（4）某同學(xué)在做“探究光的折射規(guī)律”實驗時，將激光筆從空氣射入某種透明液體中，測得實驗數(shù)據(jù)如下表所示。請根據(jù)數(shù)據(jù)計算該液體的折射率（結(jié)果保留兩位小數(shù)），并分析實驗數(shù)據(jù)中sini/sinr的比值略有差異的原因。實驗次數(shù)入射角i/°折射角r/°12013230193402545030（5）雨后天空出現(xiàn)的彩虹是光的折射與色散現(xiàn)象的結(jié)合。已知太陽光由不同頻率的光組成，不同頻率的光在水中的折射率不同（頻率越高，折射率越大）。請結(jié)合光的折射定律，解釋彩虹呈現(xiàn)弧形且外側(cè)為紅色、內(nèi)側(cè)為紫色的原因。（6）如圖所示，一束光從空氣射入直角三角形玻璃磚（折射率n=1.5），入射點為O，入射角i=45°，玻璃磚的直角邊AB與BC垂直，AB邊與空氣接觸，BC邊與光屏接觸。請畫出光在玻璃磚內(nèi)的折射光線及從BC邊射出后的光線，并計算從BC邊射出時的折射角（計算結(jié)果保留一位小數(shù)，sin45°≈0.707，sin60°≈0.866）。3.拓展思考題（7）光從光密介質(zhì)（折射率大的介質(zhì)）射入光疏介質(zhì)（折射率小的介質(zhì)）時，若入射角逐漸增大，折射角會如何變化？當(dāng)入射角增大到某一角度時，可能出現(xiàn)什么特殊現(xiàn)象？這一現(xiàn)象在生活或科技中有哪些應(yīng)用？五、練習(xí)答案與解析1.基礎(chǔ)概念題答案與解析（1）答案：B解析：A選項錯誤，光垂直射入兩種介質(zhì)分界面時，傳播方向不變；B選項正確，符合折射定律“三線共面”的結(jié)論；C選項錯誤，光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時折射角小于入射角，從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時折射角大于入射角；D選項錯誤，光的折射現(xiàn)象中光路可逆。（2）答案：A解析：光從空氣（光疏介質(zhì)）射入玻璃（光密介質(zhì)），根據(jù)折射率定義式n=sini/sinr，可得sinr=sini/n=sin60°/1.5=(√3/2)/1.5=√3/3，故A選項正確。（3）答案：光路圖如下（文字描述）：①畫出水平的分界面（水與空氣的界面），過界面上的入射點畫出豎直的法線（虛線）；②從水下畫入射光線（實線，箭頭指向入射點），與法線的夾角為入射角i；③從入射點向空氣畫折射光線（實線，箭頭指向空氣），與法線的夾角為折射角r，且r＞i（光從水射入空氣，折射角大于入射角）；④標注各光線名稱與角度。2.能力應(yīng)用題答案與解析（4）答案：該液體的折射率約為1.52；實驗誤差原因：①激光筆入射角度的測量誤差（量角器讀數(shù)誤差）；②液體表面存在波動，導(dǎo)致分界面不平整；③光路標記時的點跡偏差，導(dǎo)致折射光線繪制不準確。解析：根據(jù)折射率定義式n=sini/sinr，分別計算每次實驗的比值：實驗1：sin20°≈0.3420，sin13°≈0.2250，n?≈0.3420/0.2250≈1.52；實驗2：sin30°=0.5，sin19°≈0.3256，n?≈0.5/0.3256≈1.54；實驗3：sin40°≈0.6428，sin25°≈0.4226，n?≈0.6428/0.4226≈1.52；實驗4：sin50°≈0.7660，sin30°=0.5，n?≈0.7660/0.5≈1.53；取平均值n≈(1.52+1.54+1.52+1.53)/4≈1.52。（5）答案：①彩虹的形成是太陽光進入空氣中的小水滴后，發(fā)生折射、反射、再折射的結(jié)果。太陽光射入小水滴時，在水滴表面發(fā)生第一次折射，不同頻率的光因折射率不同而發(fā)生色散；②頻率越低的光（如紅光）折射率越小，折射角越大；頻率越高的光（如紫光）折射率越大，折射角越小，因此不同顏色的光在水滴內(nèi)形成不同的傳播路徑；③經(jīng)過水滴內(nèi)部反射后，光從水滴射出時發(fā)生第二次折射，不同顏色的光進一步分離，最終投射到人的眼中；④由于太陽在觀測者的背后，小水滴在天空中形成圓弧狀分布，不同顏色的光對應(yīng)不同的折射角度，紅光折射角度最小，出現(xiàn)在外側(cè)，紫光折射角度最大，出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)，因此彩虹呈現(xiàn)弧形且顏色由外到內(nèi)為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。（6）答案：光路圖（文字描述）：①畫出直角三角形玻璃磚，標注直角邊AB（水平）、BC（豎直），直角頂點為B；②在AB邊上確定入射點O，畫出水平向右的入射光線（空氣→玻璃磚），過O點畫垂直于AB的法線（豎直虛線），入射角i=45°