光的反射

光的反射

一種光學現象。指光在傳播到不同物質時,在分界面上改變傳播方向又返回原來物質中的現象。光遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面都會發生反射。當光在兩種物質分界面上改變傳播方向又返回原來物質中的現象,叫做光的反射。

反射光線與入射光線、法線在同一平面上;反射光線和入射光線分居在法線的兩側;反射角等於入射角 。可歸納為:“三線共面,兩線分居,兩角相等”。光具有可逆性。光的反射現象中,光路上是可逆的。

基本介绍

形成,分類,分布,反射定律,四大特性,研究,性質,成像,墨經,影響,球面鏡,用來取火,相關題目,透光鏡,古鏡記,理論,技藝,不同光反射,實驗,目的和要求,儀器和器材,注意事項,參考資料,原理,實質,典型例題,教學目標,教學過程,引入課題,新課教學,備註,板書設計,練習及作業,小結與延展,

形成

光射到兩種不同介質的分界面上時,便有部分光自界面射回原介質中的現象,稱為光的反射

分類

鏡面反射:平行光線射到光滑表面上時反射光線也是平行的,這種反射叫做鏡面反射。
漫反射:平行光線射到凹凸不平的表面上,反射光線射向各個方向,這種反射叫做漫反射。
方向反射:介於漫反射和鏡面反射之間反射稱為方向反射,也稱非朗伯反射,其表現為各向都有反射,且各向反射強度不均一。
表面平滑的物體,易形成光的鏡面反射,形成刺目的強光,反而看不清楚物體。
通常情況下可以辨別物體之形狀和存在,是由於光的漫射之故。
日落後暫時能看見物體,乃是因為空氣中塵埃引起光的漫射之故。無論是鏡面反射或漫反射,都需遵守反射定律。
鏡面反射和漫反射都是遵循光的反射定律。

分布

入射點:入射光線與鏡面的交點;
法線:過入射點且垂直於鏡面的直線叫做法線
入射角:入射光線與法線的夾角叫做入射角;
反射角:反射光線與法線的夾角叫做反射角

反射定律

1.反射角等於入射角,且入射光線與平面的夾角等於反射光線與平面的夾角。
光的反射光的反射
3.反射光線,入射光線和法線都在同一個平面內

四大特性

1.共面 法線是反射光線入射光線角平分線所在的直線。
2.異側 入射光線與反射面的夾角和入射角的和為90°
光的反射光的反射
3.等角 反射角等於入射角。反射角隨入射角的增大而增大,減小而減小。
4.可逆 光路是可逆的
如圖1(甲)中光線BO逆著原來的反射光線(圖乙)的方向射到界面上,這時的反射光線OA定會逆著原來的入射光線AO的方向射出去。
根據光的反射定律作光路圖
具體作法:先找出入射點,過入射點作垂直於界面的法線,則反射光線與入射光線的夾角的角平分線即為法線。若是確定某一條入射光線所對應的反射光線,則由入射光線、法線確定入射角的大小及反射光線所在的平面,再根據光的反射定律中反射光線位於法線的另一側,反射角等於入射角的特點,確定反射光線。

研究

性質

反射是光線的一個重要性質。中國古代在這方面具有豐富的知識,在許多實際問題上都反映出來。
對人類來說,光的最大規模的反射現象,發生在月球上。我們知道,月球本身是不發光的,它只是反射太陽的光。相傳為記載夏、商、周三代史實的《書經》中就提起過這件事。可見那個時候,人們就已有了光的反射觀念。戰國時的著作《周髀》里就明確指出:“日照月,月光乃生,成明月。”西漢時人們乾脆說“月如鏡體”,可見對光的反射現象有了深一層的認識。《墨經》里專門記載一個光的反射實驗:以鏡子把日光反射到人體上,可使人體的影子處於人體和太陽之間。這不但是演示了光的反射現象,而且很可能是以此解釋月魄的成因。

成像

平面鏡成像,就是光線反射的結果。中國古代在這方面是很有創造性的。最早的時候,人們用靜止的水面作為光的反射面,當作鏡子使用(圖十二),這鏡子叫做“監”。西周金文里的“監”字寫起來很像一個人彎著腰向盛有水的盤子裡照自己的像。這說明在三四千年前,就盛行著利用水面反射成像的方法。到了明清時代,一些窮苦人家也還使用著“水鏡”。《儒林外史》里寫的胡屠戶,不是要他那個官熱太盛的女婿范進,去撒尿照照自己的形容嗎?這話雖不大雅,但還是一種水鏡的遺制,胡屠戶決不是發明者。到了周代中期,隨著冶煉工藝的進步,才漸漸以金屬反射面代替水鏡,這才在“監”字的邊旁加以“金”,成了“鑒”或“鑒”,就是現在大量出土的所謂銅鏡了。至於玻璃(反射)鏡,那就更晚了。

墨經

關於平面鏡反射成像規律的研究,在周代後期就在進行了。《墨經》中就指出:平面鏡成的像只有一個;像的形狀、顏色、遠近、正倒,都全同於物體。它還指出:物體向鏡面移近,像也向鏡面移近,物體遠了,像也遠了,有對稱關係。這個總結是完全正確的。

影響

球面鏡

春秋戰國時代,還出現了球面反射鏡,即所謂球面鏡。根擄反射面呈凹形和凸形的不同,分為凹球面鏡和凸球面鏡。物體置於鏡前,能在鏡中成像。凹球面鏡能使一束平行光線反射後交於一點,這一點叫做焦點。凸球面鏡是發散鏡,那焦點是個虛焦點。由於太陽光線中帶有熱能,聚於一點投到物體,不但亮度大,而且發熱多,能使物體溫度升高而著火。(註:勿將凹,凸面鏡與凹,凸透鏡混淆。凸透鏡使平行光會聚,有焦點;而凹透鏡使平行光發散,有虛焦點。光路是可逆的)
在歐洲,傳說古希臘時候,羅馬人開了大隊兵船去進攻敘拉古。當時的物理學家阿基米德(西元前二八七至二一二年)曾用一面巨大無比的凹面鏡對著太陽,把光線聚於兵船上,燒掉了它,因而取得戰爭的勝利。當然這只是傳說而已。在中國古代,凹面鏡確實實在在是人們一種主要的取火工具。

用來取火

中國遠在周代就知道利用這種反射現象來取火。那時把這種取火用的凹面鏡叫做“陽燧”。《莊子》裡面就記載說:“陽隧見日,燃而為火。”到了西漢的《淮南子》里就進一步指出,用凹面鏡對日取火,艾草之類的引火物,放的位置既不能離鏡太遠,也不能太近。這裡實際上就是指出,艾草必須置於焦點之上。在東漢時候,人們對於光的反射知識更加豐富了,了解到除了專用的陽隧外,凡是呈凹球面狀的反射面,只要摩擦得足夠光亮,都可以對日聚焦取火。當時有人就用金屬杯子的底部,對日聚焦取火,也還有用別的。這都表現了人們認識範圍擴大了。對於凹面鏡對日聚焦取火的原理,宋代沈括作了分析。他在《夢溪筆談》中說:“陽燧面窪,向日照之,光皆聚於內,離鏡一二寸,大如麻菽,著物則火發,此則腰鼓最細處也。”意思是,陽燧反射面呈凹形,對著太陽,光線經反射都聚於一點(即焦點),這一點距鏡面一二寸,像芝麻豆子那么大,落到物體上就會發火,這一點好像是腰鼓最細的地方。這裡把球面鏡反射光線的情況正確地描述出來,並且對焦點和焦距都進行了描寫。尤其是能指出焦點之所在,正像是腰鼓最細的地方,生動具體,使人們容易懂。據沈括說,當時這一類學問的研究叫做“格術”,既構成了專門學問,那一定是非常深入的,只是已經失傳了,很是可惜。

相關題目

發光體置於球面鏡前,光線經球面鏡的反射,也能成像;這同平面鏡反射成像是同樣的道理,但情況要複雜得多。中國古代在這方面的研究有驚人的成績,尤以《墨經》的記載為最早,而且達到了很高的水準。凸面鏡成像的情況比較簡單。不管物體放在鏡前的什麼它方,所成的像總是正立的縮小的一種。《墨經》只用“鑒團,景一”四個字把它總結了,意思是鏡面呈凸形(團即凸),所成之像只有一種情況--一個像。至於四面鏡,成像的情況要複雜一些。物體在球心以外,反射所成的像是縮小倒立的,在球心和焦點之間,可以用屏接著。物體在球心和焦點之間,所成的像是放大倒立的,在球心之外,也可以用屏接著。物體在焦點以內,所成的像是放大正立的,在鏡的後面,無法用屏接著。《墨經》有這樣一段記載:“鑒窪,景一小而易,一大而正,說在中之外內。”“窪”即凹,“鑒窪”就是指凹球面鏡。“中”是指球心至焦點這一段。《經》文的意思是說:物在“中”之外,即球心以外,成的像是“小而易”,即縮小倒立的;物在“中”之內,即焦點至鏡面之問,成的像是“大而正”,即放大正立的。這樣,好像還漏掉一個“大而易”的像。其實並不是的。原來《墨經》作者有他們特殊的實驗方法,即把觀察者自己的身體當作物體。觀察者從遠處向鏡面走來,當他還在球心以外,就看見自己的“小而易”的像;當走過了球心,進進球心和焦點之間(即“中”),理應有一個“大而易”的像,但在球心以外,即觀察者的身後,所以看不見;再前進,走過了焦點,又看見自己“大而正”的像了。如此說來,這條記載是完全忠實的,正確的。不僅如此,直接由觀察者去看自己的像,是一種很有意義的實驗方法。隔了兩千多年之後,即在本世紀初,號稱世界最高學府的英國劍橋大學的物理試卷上,曾有過類似內容的題目。
凹面鏡成像實驗,沈括也做過;他把自己的手指當作物體,從鏡面開始慢慢移去。他說:“以一指迫而照之則正,漸遠則無所見,過此遂倒。”沈括記載得很忠實。當手指在焦點之內,所成的像是一個正立的虛像。當手指漸漸遠離鏡面,移至焦點時,成像在無窮遠,就“無所見”了。當手指移至焦點之外,就成為倒立的實像了。沈括的實驗方法,同《墨經》所記的實驗不同,他把物體與觀察者分開,因而能夠發現一個特殊點(即焦點),它是正像和倒像的分界點。這是一個十分重要的進展。此外,沈括還指出凹面鏡成像和針孔成像有某些相似之處,並且用生動易懂的比喻來說明物與像的位置的相對關係,以及針孔和焦點的作用。這些都說明了沈括對問題研究的深入。
沈括還以他的科學素養,指出使用凸球面鏡中存在的一些問題。當時有人發現有些古鏡呈凸球面狀,不懂此中奧妙,就把它磨平。沈括認為這是錯誤的。他指出,古人鑄造反射鏡,大鏡子就呈平面,小鏡子就呈凸面。凹鏡照出人臉的像要大些,凸鏡照出人臉的像要小些。用小鏡看不到人臉的全像,所以把它做得稍凸一些,以便使人臉的像變小。這樣,鏡子雖小,仍然可以照見完整的人臉。造鏡子時要考慮鏡子的大小,以決定增減鏡子的凸起程度,使人臉的像和鏡子的大小相稱。這個說明是完全正確的,反映出沈括能夠利用自己的科學知識,解決生活中的實際問題,表現了一個科學家結合實際的正確態度。
中國古代研究球面鏡的當然還不止這些,這裡再舉出一個人來,就是清代的虞兆隆。他在《天香樓偶得》中,批評沈括對凹球面鏡成像的解釋“亦未分明”。他用自己家藏的凹面鏡做實驗,發現那像“迫近則正,稍遠則閃爍無定,再遠之則皆倒矣,但所照甚為模糊,不若近照之明顯。”他見到了幾種情況,開始是正立的虛像,當物接近焦點時,像就“閃爍無定”了,過了焦點直至無窮遠“則皆倒”。物在焦點以外所成的倒立實像比較“模糊”,確是事實。看來,他的觀察是更仔細了。不但如此,他不滿足於沈括用“中間有礙”那樣抽象而籠統的解釋。提出用“轉照”的說法來解釋凹面鏡成像的倒立、模糊等現象。雖然虞兆隆的解釋不見得十分正確,但卻具體一些。

透光鏡

說到反射,不能不介紹一下中國古代一件奇妙的鏡子,那就是“透光鏡”。“透光鏡”的外形跟古代的普通銅鏡一模一樣,也是金屬鑄成的,背後有圖案文字,反射面磨得很光亮,可以照人。按理說,當以一末光線照到鏡面,反射後投到牆壁上,應當是一個平淡無奇的圓形光亮區。奇妙的是,在這個光亮區竟出現了鏡背面上的圖案文字,好像是“透”過來似的,故稱“透光鏡”。上海博物館珍藏的一面西漢透光鏡,背面有“見日之光,天下大明”八個字,甚至連同花紋都“透”在那個光亮區之中,清晰可見。這實在是令人難以構想的事。不但中國歷代科學家都研究它,近代國外計多科學家也感到驚奇,把它叫做“魔鏡”,紛紛研究它,企圖揭開這個謎。在十九世紀一段時間曾引起熱烈的討論,但是都沒有得到滿意的回答。近幾年,中國科學工作者運用現代科學技術手段對透光鏡進行研究,獲得了可喜的成就。

古鏡記

中國出土的銅鏡數量很大,其中秦以前的較多。但並沒有逐枚進行“透光”試驗,所以不能肯定這裡面一定沒有透光鏡。在宋代,《浮生六憶》的作者沈括家裡藏一面透光鏡,背後的文字“極古”,以致連博學精深的他自己也不認識。可見,這不是一般的文字,可能是秦以前的東西。上海博物館珍藏的一面已確定為西漢的遺物,西漢以後,民間能製造的逐漸多起來。到了清代,江浙一帶的鏡工也能製造出來,並傳到日本。至於文字記載,清代的小說《古鏡記》里,敘述到一面“古鏡”,當“承日照之,則背上文畫,墨入影內,纖毫無失。”這裡說的顯然就是透光鏡了。宋代沈括對所藏的透光鏡記載得十分詳細,此後歷代文人記載,題詠就更多了。

理論

銅鏡是如何“透光”的?最早作這方面研究和記錄的是沈括。他在《夢溪筆談》里記載說:“世上有一種透光鏡……把鏡子放在日光下,背面的花紋和二十個字都透射在屋壁上,很清楚。有人解釋說,由於鑄鑄時薄的地方先冷,背面有花紋的地方比較厚,冷得較慢,銅收縮得多一些,因此,文字雖在背面,鏡的正面也隱約有點痕跡,所以在光線下就會顆現出來。我考察了一下,認為這個道理是對的。我家有三個這樣的鏡子,又看見別家收藏的,都是一樣,花紋銘字絲毫沒有差異,樣式很古,唯有這種鏡子能夠透光,其他一些鏡子,即使是薄的,也不能透光,想必古人另有製造的方法。”這裡面,沈括解釋“透光”的原理,主要一點就是“文雖在背,而鑒面隱然有跡。”這是十分正確的。因為鏡背有花紋,致使鏡面也呈相似的凹凸不平,但起伏盡小,肉眼不能察見。當它反射光線時,由於長光程放大效應,就能夠在螢幕上反映出來。這個道理,清代物理學家鄭復光也作了十分貼切的說明。他指出:靜止的水面是很平的,但經它反射的光線投到牆壁上,也看到有點動盪,就因為水面實際上存在起伏的波紋。這個說明是多么具體而確切,以致在本世紀二一十年代英國物理學家布拉格,討論“透光鏡”時,對這個問題也作這樣類似的說明。

技藝

古人究竟用什麼方法使銅鏡的正面能有相似於鏡背的花紋痕跡呢?據沈括記載,宋代以前的人認為,那是因為鏡背上有凸出的花紋,故各處的厚薄不同,鑄造時冷卻有先後,收縮程度有差異,因此形成鏡面“隱然有跡”。這個解釋為沈括所同意,本世紀許多外國科學家也都表示首肯。1975年有人還用實驗方法證明它是正確的。但是元代的一位考古學家名叫吾丘衍,提出另一種解釋。他說是在鏡面用另一種銅料嵌入一幅和背面完全相同的花紋圖案,然後磨平,鏡面就能“隱然有跡”。這樣,鏡面各部分反射光線的能力大小不一樣,所以反射的光亮區中就可以看到花紋圖案了。這個解釋也是通的,而且吾丘衍曾親自眼看到有人為了驗證其說,不惜打碎一面透光鏡來檢查,證明屬實。後來,明代科學家方以智,支持這個解釋,並加以補充。言之鑿鑿,不容置疑。除了這兩種製法以外,還有一種方法,就是鑄成銅鏡後,用一榻壓磨棒在鏡面上刮擦壓磨,薄處受壓磨,向一處稍微鼓起,壓力去掉以後,這些薄處仍稍凸出,如以汞膏磨鏡,更可使薄處稍稍膨脹而更加鼓起,因而鏡面也就“隱然有跡”了。這個方法傳到日本,他們至今還在用以製造出透光鏡來。歐洲依法試製,也得成功。由上述可知,中國古代製造透光鏡的方法是多種多樣的。不管用那種方法,要製成功透光鏡,工藝要求都是很高的。在古代能夠做到這個地步,實在令人驚嘆不已。可惜這種絕招“終秘不宣”,使透光鏡的製作技藝失傳,真是可嘆!

不同光反射

8、光在反射時有一部分光會被物體吸收。
各光是有紅、綠、藍三色光按不同比例混合而成的。我們能看見的物體除黑色外都要反色光。白色物體反射所有光,看起來就是白色,灰色物體也反射各色光但只反射一部分。其他物體只要是什麼顏色就反射能按一定比例混合而本色的光。
:紅光加綠光是黃光,綠光加藍光是青光,紅光加藍光是紫光,紅綠藍加起來就是白光。
在白光通過三稜鏡時,不同顏色的單色光的偏折程度不同,紅光偏的最小,所以一盤在光屏成像時是在最上面,藍最大。
透明體的顏色是由透過的光色決定的。( 當光通過透明體時,透明體是什麼顏色,就能透過什麼顏色的光)
不透明體的顏色是由反射的光色決定的。(當光遇到不透明體時,不透明體是什麼顏色,就能反射什麼顏色的光)

實驗

目的和要求

總結光射到物體表面上發生反射的規律:
1.反射光線跟入射光線和法線在同一平面內,反射光線和入射光線分居法線兩側。
2.反射角等於入射角。

儀器和器材

光的反射演示器,其結構如圖2.3-1所示,M是一塊平面鏡,鑲在一塊木板上,白色光屏E垂直固定在木板上,白色光屏F可以繞垂直於鏡面的ON轉動EF屏上畫有以O為圓心的圓弧,上面標有刻度。
光的反射
平行光源(J2501型光具盤的光源),低壓電源(J1201型)。
【實驗方法】
1.調整光源的位置,使一束光沿平面E內任一直線AO射到平面鏡上的O點。繞ON軸轉動平面F,尋求由O點反射的光線,只有當平面F和平面E在同一平面內時,才能在F上見到反射光線,平面F在其他位置時,F上都沒有反射光線。得出反射光線跟入射光線和法線在同一平面內,反射光線和入射光線分居法線兩側的結論。
2.平面FE處在同一平面時,觀察到光的反射,從EF屏上讀出入射角、反射角的值,得出反射角等於入射角。
3.在平面E內改變入射光線的角度,重複步驟2。總結得出反射定律
4.先使平面FE成任一夾角。轉動光源的位置,在E平面內看到反射光線。轉動平面E找到入射光線和法線所在的平面,加深對反射定律的理解。

注意事項

1.國中學生缺乏空間想像力,理解反射定律中線和面的空間關係是一個難點。實驗過程中應注意幫助學生建立空間概念,直觀地建立起光的反射圖象。
2.入射光線是具有一定寬度的光帶,為了在光屏上顯示出光傳播的路線,入射光帶的軸線與光屏需成一個較小的角度。同樣,反射光線也是具有一定寬度的光帶,因此,當平面EF有較小的角度時,光屏F上仍能有短的亮線。實驗時要注意儘量減小光帶的寬度,並且避開這個較小角度的位置,以免造成混亂。

參考資料

1.平行光源除了選用J2507型光具盤的光源之外,還可以用雷射器、手電筒(要有較好的聚光效果)或日光。本實驗對於光源還有兩點要求:(1)寬光束光源都需配用狹縫,通過狹縫取一細束平行光作為入射光線;(2)能夠改變投射到鏡面上光線的角度。例如,取日光作光源,可以藉助於一對平面鏡Q1Q2使一束日光投射到平面鏡M上,稍稍移動並且轉動平面鏡Q2,可以使投射到O點的光線的角度改變(圖2.3-2)。
光的反射
2.光的反射實驗也可用米勒儀(圖2.3-3)或圓形光碟(包含在J2501型光具盤內)來做。由於這些儀器中的鏡面可以繞入射點O轉動,驗證反射角等於入射角比較方便,但不易說明反射鏡面、法線、入射光線和反射光線的空間關係
光的反射
提示:本小實驗可輔以“光現象”部分的物理實驗教學,以此培養和提高學生的實驗能力和素養。
讓光線逆著反射光線的方向射向鏡面,可以看到,反射光線逆著原來入射光線的方向射出。
這表明,在反射時,光路是可逆的。

原理

光,也是一種波,光波的反射原因可以用著名的唯象理論惠更斯原理進行解釋。
如右圖,一列平行光波射向障礙物(或平面鏡),abc是這列光波的三條波線(光線),由於波線與障礙物有交角,所以abc到達障礙物所用的時間不一樣,波線a現到達障礙物的A點,過A做波線bc的垂線,虛線AC。則當波線a傳到A點時,波線b剛傳到B點,波線c剛傳到C點。波線a傳到障礙物上的A點,會形成一個新的波源(即子波源A),並以圓周式向四面八方傳播新的波線。假設cC點傳到障礙物的C’點所需時間為ta,b,c三條波線的速度等完全一樣,則波源A向四周在t 時間內傳播距離(即圓A的半徑)與波線bt 時間內經過B點傳到障礙物上的B’點再以子波源的形式向四周傳播的距離總和(BB’+圓B’的半徑)相等,都為CC’的長度(因為三條波速度相等,時間相等,所以傳播距離也就相等)。此時過C’(P點)做圓A和圓B’的切線,切點為MNP(因為C’也會形成子波源,即將向四周發射波,只是此刻還未形成波面,所以C’點可以視為圓C’)。根據惠更斯原理,圖中的藍線為三個子波源AB’,C’形成的三個波前包絡面(反射後形成的新的波前),所形成的新的波線永遠垂直於包絡面,則連線AMBNC’(P)。AMBNC’(P)的長度等於各自半徑。
光的反射現象光的反射現象
證明:射線AMB’N,C’(P)就是三條波線a,b,c的反射波線
解:利用國中全等三角形證明,由於三條波線a,b,c彼此平行,所以∠1=∠BBA=∠CCA。因為在直角ACP與直角△PMA中,AM=CPAC’=AC’,所以Rt△ACP≌Rt△PMA(HL),所以∠1=∠CCA=∠2,所以入射角等於反射角,以此證明波線AM確實是波線a反射波線,同理可證波線BNC’(P)也是反射波線。
上述過程解釋了作為波的光線的反射原理。全反射光由光密(即光在其中傳播速度較小的)媒質射到光疏(即光在其中傳播速度較大的)媒質的界面時,全部被反射回原媒質內的現象。
當光射到兩種介質界面,只產生反射而不產生折射的現象.當光由光密介質射向光疏介質時,折射角將大於入射角.當入射角增大到某一數值時,折射角將達到90°,這時在光疏介質中將不出現折射光線,只要入射角大於上述數值時,均不再存在折射現象,這就是全反射.所以產生全反射的條件是:①光必須由光密介質射向光疏介質.②入射角必須大於臨界角.
臨界角是折射角為90度時對應的入射角(只有光線從光密介質進入光疏介質且入射角大於臨界角時,才會發生全反射)

實質

光波是一種高頻的電磁輻射。光波與原子分子發生相互作用導致其傳播方向的改變、相位及偏振變化,以及能量和能流的重新分配。
原子限度在Å量級,1mm2表面排列約107×107個原子。在光波交變電場作用下,界面上原子作受迫振盪,每個原子都是一個電偶極振子,形成面天線陣,由於干涉形成確定方向的輻射。正入射時,相當所有振元同幅同相激勵,射束垂直於振面且有兩條:一條稱反射波,一條稱折射波。斜入射時,相當於激勵相位不同,類似於相控陣天線。

典型例題

例1
打槍瞄準時要閉上一隻眼,這是為什麼?
解析:我們知道槍管前端有一個瞄準用的準星,我們閉上一隻眼觀察到準星擋住了目標時,就說明準星、目標和眼睛處於同一直線上,也就是說瞄準了目標,實際上,這就是套用光在同一種均勻介質中沿直線傳播的道理。
例2
光線垂直入射到平面鏡上時,反射光線和入射光線的夾角為____。若入射光線的方向不變,平面鏡轉動a角時,則反射光線與入射光線的夾角是______。
解析:當光線垂直入射時,則反射光線將逆著入射光線反射,此時入射光線、法線、反射光線三線重合,反射角為0,入射角為0,所以反射光線和入射光線的夾角也為0。當平面鏡轉動後,法線與入射光線產生了夾角,這個夾角就是平面鏡轉過的角度,那么此時入射角為a,反射角也為a,所以反射光線與入射光線的夾角為2a。
例3
要使反射光線與入射光線的夾角為直角,則入射光線與平面鏡的夾角應為_____。
解析:根據反射定律可知:反射角等於入射角,如果反射光線與入射光線的夾角為直角,那么反射角等於45° ,入射角也等於45° ,而入射光線與鏡面的夾角則應為45度。
例4
入射光線與平面鏡的夾角是 ,則反射角應該是______。
解析:該題首先要弄清楚入射角。入射光線與平面鏡的夾角是 ,那么入射角就是 ,因為入射角是入射光線和法線的夾角,法線與鏡面垂直,又反射角等於入射角,所以反射角也等於。
例5
如圖2所示,光線 射到平面鏡上,反射光線沿 方向射出,請畫出平面鏡的位置。
解析:將反射光線與入射光線 和 連線起來,交於 點, 點是入射點,因為反射角等於入射角,法線就是 的角平分線,法線與平面鏡垂直,這樣就可以畫出平面鏡的位置。
具體作法是:將 和 連線交於 點,然後畫出 的角平分線,也就是法線 (注意畫虛線),再作 與法線 垂直表示平面鏡。如圖3。
例6
不能用光的直線傳播來解釋的現象是( )
A、日食月食 B、影子的形成
C、小孔成像 D、發生雷電時,先看到閃電而後才聽到雷鳴聲
解析:當月球運行到太陽和地球之間,並且位於同一直線上時,由於光是沿直線傳播的,月球擋住了太陽射向地球的光,便產生了日食現象。當地球運行到太陽與月球之間,並且位於同一直線上時,地球擋住了太陽射向月球的光,便產生了月食現象。影子的形成是由於光沿直線傳播時遇到不透明的物體而留下的陰影區域。小孔成像也是由於光沿直線傳播,蠟燭的光通過小孔後在屏上形成倒立的燭焰像。由此可知,選項A、B、C均能用光的直線傳播來解釋。而發生雷電時,先看到閃電,後聽到雷鳴聲是由於空氣中的光傳播速度比聲音傳播速度快得多的緣故,所以選項D不能用光的直線傳播來解釋。
例7
晚上,在桌上鋪一白布,把一塊小平面鏡鏡面朝上平放在白布上,讓手電筒的光正對著平面鏡照射,從側面看去,白布被照亮,而平面鏡卻比較暗,為什麼?
解析:因為鏡面很光滑,垂直入射到鏡面的光被垂直反射回去,射到其他方向的光極少,從側面看去,基本上沒有光線射入眼中,所以,平面鏡看起來比較暗。而白布的表面比較粗糙,入射到白布上的光發生了漫反射而不是鏡面反射,反射光線能射到各個方向,所以從側面看到白布比較亮。
【漫反射】
凹凸不平的表面會把光線向著四面八方反射,這種反射就是漫反射
例如,陽光射到鏡子上,迎著反射光的方向可以看到刺眼的光。如果陽光射到白紙上,無論在哪個方向,都不會感到刺眼。
原來,鏡面很光滑,而看上去很平的白紙,細微之處實際是凹凸不平的。這就是利用了 漫反射。
這是本教材中第一個比較完整的探究實驗,對學生的物理學習是一個很重要的開端,既要引導學生學習如何開展探究實驗,又要讓學生體驗物理探究的樂趣,與九年義務教育物理教材相比,課程標準降低了教學要求,由原來的“光的反射定律”改為“光的反射規律”,只要求學生知道“在反射現象中,反射角等於入射角”,而對“反射光線與入射光線、法線在同一平面”及“反射光線與入射光線分居在法線兩側”都不作要求,但是在探究的過程中必然會有學生髮現這些規律,同樣可以歸納到“收穫”之中,既培養了學生的分析歸納能力,也讓他們感受到觀察在物理實驗中的重要性,為今後的學習打下良好的基礎。
【教學器材】
演示實驗器材:雷射演示儀,蚊香,帶蓋的玻璃盒。
學生實驗器材:平面鏡,紙板盒,蒙黑紙的手電筒,直尺,量角器,筆。

教學目標

一.知識和技能。
1.了解光在一些物體表面可以發生反射。
2.認識光的反射規律,了解法線、入射角、反射角的含義。
3.理解反射現象中光路的可逆性。
4.了解什麼是鏡面反射,什麼是漫反射。
二.過程和方法。
1.通過實驗,觀察光的反射現象。
2.體驗和感悟我們是如何看見不發光的物體的。
3.經歷探究“光反射時的規律”,用實驗的方法獲得反射光線、入射光線與法線的位置,測出反射角與入射角,總結探究的結論,獲得比較全面的探究活動的體驗。
4.通過觀察,理解鏡面反射和漫反射的主要差異。
三.情感、態度與價值觀。
1.在探究“光反射時的規律”過程中培養學生的科學態度。
2.密切聯繫實際,提高科學技術套用於日常生活和社會的意識。
3.鼓勵學生積極參與探究活動。

教學過程

引入課題

太陽、電燈、蠟燭等物體發出的光會射到我們的眼睛裡,我們就能看見這些物體了,許多不會發光的物體為什麼也能被我們看見呢?
由於自然常識課的學習和學生自身的經驗,學生很快答出:因為光的反射。
(板書)二、光的反射
(副板)光→人眼(光的接收器)
直接發光的物體→光源
間接發光的物體→本身不發光的物體
備註:光在任何物體的表面都會發生反射。按照課本的排列是先實驗後講概念,根據學生的思維能力,這是不妥的。

新課教學

1.光的反射現象。光射到物體表面時傳播方向發生改變的現象。
2.幾個基本概念(一點二角三線)。a.入射光AOb.入射點O:入射光線與反射面的交點。c.反射光線OB。d.法線:過O點作反射面的垂線ON。e.入射角i:入射光線與法線的夾角。f.反射角r:入射光線與法線的夾角。提問:引入入射角i及反射角r的意義是什麼呢?
學生討論:甲認為,數學上常用“東偏南20°”來表示方向,所以入射角i及反射角r是表示光線傳播方向的;乙認為,甲的觀點是正確的,因為地理上也是用角度來表示方向的。
3.探究光反射時的規律。
提出問題:
光在反射時遵循什麼規律?也就是說,反射光線沿什麼方向射出?(即反射角與入射角之間有什麼關係呢?)
設計實驗和進行實驗:
1.如圖所示,把一個平面鏡放在桌上,再把一張紙板豎直地立在平面鏡上,紙板上的直線ON垂直於鏡面。
2.一束光貼著紙板沿某一角度射到O點,經平面鏡的反射,沿另一個方向射出,在紙板上用筆描出入射光線和反射光線的徑跡。
3.改變光束的入射方向,重做一次。
4.取下紙板,用量角器測量ON兩側的角ir
4.討論。
1.怎樣使紙板能穩定地豎直在平面鏡上?
學生在討論中提出多種方案,如在紙板後做一個支架,用紙盒的一個側面,用泡沫包裝盒,等等。
(2)怎樣得到“一束光”?
有人首先提出用太陽光,但馬上有人反對,認為太陽光不是“一束光”,又有學生想到前一節剛做的小孔照相機,其外筒可以利用,透過外筒上的小孔,能得到“一束光”。可是,如果陰天怎么辦?用手電筒。集中大家的討論結果,認為用一張開有小孔的黑紙蒙著手電筒,就能得到“一束光”了。還有學生提出用雷射筆,當然效果更好。
3.怎樣畫出光的徑跡?
問題提出後,立即有學生想到,把光對著O點入射,分別沿著入射光和反射光線點點,用直尺連線OAOB即是入射光線和反射光線了。
4.根據討論寫實驗報告。
[實驗目的]光反射時的規律。
[實驗器材]平面鏡,紙板盒,蒙黑紙的手電筒,直尺,量角器,筆。
[實驗步驟]①在紙板上作一條與底邊垂直的虛線ON,放在平面鏡上。
②將一束光射向O點,記錄入射光和反射光的徑跡。
③用量角器測量ON兩側的角ir

備註

學生沒有關於物理實驗的經驗,如果只看課本中的內容,是很難完成實驗的,所以必須引導學生對實驗器材、實驗步驟進行討論,以培養學生設計實驗、進行實驗的能力。
5.分析和論證。提問:關於光的反射,你發現了什麼?生答:反射角r與入射角i很接近;反射光線與入射光線在法線的兩側;反射角r與入射角i應該相等;從實驗記錄中找不出什麼規律。為何會找不出規律呢?請觀察演示實驗。
演示實驗一:在玻璃盒中點燃蚊香,使裡面充滿煙霧,比較手電筒的光線與雷射光線射入其中的效果。
演示實驗二:用雷射演示儀演示光的反射。
在演示實驗的啟發下,找出實驗失敗的原因:
①光的路徑記錄不夠細心
②角度的測量不準確;③光束不夠細。如何改進呢?①改用雷射筆作光源;②在紙板上先細心地畫好角度。通過改進再進行實驗,得出:光反射時,反射角r等於入射角i;反射光線與入射光線在法線的兩側;反射光線、入射光線及法線在同一平面上。
6.光路的可逆性。
小實驗:用一塊板擋在兩個學生之間,使彼此不能看到對方,怎樣才能彼此看見呢?由於學生有此經驗,用一塊鏡子就能解決,作圖說明光路的可逆性,學生很容易接受。
7.鏡面反射與漫反射。
小實驗:用手電或太陽光照在鏡面上反射,照到學生的臉上,他們會感到刺眼;而照在白紙上時,光線則比較柔和。什麼原因?
①光照到鏡面上發生了反射,而照在白紙上時,沒有發生反射。(馬上遭到了以學習小組為單位,準備實驗器材,在討論分析的基礎上進行實驗,體驗實驗的過程。此實驗上節課做過但是觀察的角度不同,可獲得不同的啟發。光線是為了研究光的傳播路經而作的直線,其實它並不存在,這是物理研究中常用的一種方法。其他同學的反對)
②光照在白紙上時,發生了漫反射。
提問:漫反射遵守光的反射規律嗎?
生答:遵守。

板書設計

1.光的反射現象。
光射到物體表面傳播方向發生改變的現象。
2.幾個基本概念(一點二角三線)。
①光線OA
②入射點O:入射光線與反射面的交點。
③光線OB
④法線:過O點作反射面的垂線ON
⑤入射角i:入射光線與法線的夾角。
③反射用r:入射光線與法線的夾角。
3.光的反射規律。
光反射時,反射角r等於入射角i;反射光線與入射光線在法線的兩則;反射光線、入射光線及法線在同一平面上。
4.光路的可逆性。
5.鏡面反射與漫反射。

練習及作業

1.已知鏡面及入射光線,要求畫出反射光線。
2.已知鏡面及反射光線,要求畫出入射光線。
3.已知反射光線及入射光線,要求畫出鏡面。
4.完成課本第41頁“動手動腦學物理”(人教版)中各題。

小結與延展

小結:如果只按照課本的要求去進行教學,是無法完成教學任務的,因為我們的學生缺乏動手實踐的意識,更缺乏動手實踐的能力。如前一節課,請學生課後完成一隻小孔照相機的製作,許多人無法做好一隻圓筒。所以,在學科學習的初始階段,應以養成良好的本學科的學習習慣為主,使學生在逐步體驗成功的喜悅中培養興趣,學會觀察,學會提問,學生設計簡單的實驗去驗證自己的猜想,學會吸取別人的成功改善自己,學會合作交流,等等。這些能力的養成,比學會一些知識、技能更重要,所以引導學生分析問題,分析實驗,開始可能緩慢些,但必須夯實這一過程,為以後的教學打好基礎。尤其是思維基礎較差的班級,更需要教師的耐心,因為這裡是他們學習的轉折點,低的起點,小的台階,更易獲得成功的體驗,在樂學中培養學好物理的信心。
延展:在本節的教學過程中,“光線”一詞常出現,會有學生提出:光線是一條線嗎?對於這點,可以因勢利導地向學生介紹,在物理探究過程中,有許多研究方法,在我們今後的學習中會不斷遇到。“光線”並不真正存在,是人們為了研究光的傳播路徑而做的帶箭頭的直線。這樣講有助於學生物理思維的培養,也有助於澄清物理研究的本質。

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