《1光的反射和折射》教学设计(北京市省级优课)x-物理教案

教学设计者基本信息姓名周革润学校北京市第一0一中学学科物理联系电话及邮学设计基本信息课题光的反射和折射年级高二模块选修3-4教科书版本人教版学习主题光的折射、折射率1.整体设计思路（教学设计的思路与学习价值分析）高中阶段只研究在两种介质中并且其中一种介质是空气的两界面间的折射情况及所遵循的规律。其中关于入射角与折射角之间定量关系的研究是这节课教学的重点，如果能设计实验来完成这项任务，可以使学生更好的理解折射定律、折射率概念，起到突破折射率难点的作用。如何能在全班学生面前展示折射的光路，能够定量测量入射角和折射角，达到实验要求的精度，让学生相信我们探究实验数据的真实性，让学生全程参与和体验折射实验的探究过程，却是一个挑战。教学特意设计了一个带有圆盘刻度的白纸，使得角度的测量最小分度达到1°，估读到0.1°，能够保证测量实验数据的精度，将激光笔、半圆形玻璃砖、有量角器刻度的白纸用磁扣吸在黑板上，方便在班级现场演示不同入射角的折射，全班参与读取数据，在数据的处理上运用先猜测再用实验数据验证的科学研究方法，借用excel表格处理数据的功能来用图像验证猜测的正确与否，用数学的方法处理物理数据。关于物质折射率的测定，光路可逆原理和折射定律相结合的应用，将在第二课时中学习。本节课程设计重点在演示实验探究过程中得到折射定律规律和理解折射率概念，突出观察、猜想、分析的科学方法。2.目标设计（指向学生素养发展的目标设计）1.物理观念：从物理学视角形成关于光学部分的基本认识，能用光的反射和折射解释和描述一些自然光学现，是物理概念折射率和光的折射定律规律在头脑中的提炼和升华。2.科学思维：探究光的折射需要遵循的内在规律，是在光从空气射入半圆形玻璃砖这一基本演示实验，从定性和定量两方面进行科学推理，尤其是探究入射角与折射角的定量关系，让学生从不同角度思考，是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；从实验数据概括出入射角与折射角的正弦之比为常量。3.实验探究：在提出探究入射角与折射角的定量关系问题时，学生大胆猜想提出合理假设，能提出实验方案多组测量数据获取准确数据，利用激光笔演示折射光路、在量角器刻度的白纸上获取数据和用科技手段计算机软件处理数据。基于数据的处理能准确表述探究结论并做出解释，探究中具有合作和交流的意愿。4.科学态度与责任：具有学习和研究物理的好奇心和求知欲，基于数据和逻辑发表自己的见解，实事求是，通过把测量的数据列表进行分析，试图找出事物内在联系的规律，这是物理研究的重要的步骤，体会物理研究中猜想—验证的科学研究方法。关于光的折射规律有关物理学史的介绍渗透科学思想、方法、理解科学方法，树立科学精神。3.学习内容分析（教学内容及内容结构分析，重点难点分析）教材直接由生活中的反射和折射现象回顾初中所学知识——反射定律和折射现象，目的是使光学的知识更加完整，使高中和初中的知识更好衔接，降低了学习光学知识的起点，为全反射的学习做铺垫。接着由光的折射现象中折射角与入射角的定性关系直接给出了光的折射定律。折射定律是研究几何光学的重要规律，是全章的重点，折射率是掌握折射定律的关键，也是难点。高中阶段只研究在两种介质中并且其中一种介质是空气的两界面间的折射情况及所遵循的规律。其中关于入射角与折射角之间定量关系的研究是这节课教学的重点，如果能设计实验来完成这项任务，可以使学生更好的理解折射定律、折射率概念，起到突破折射率难点的作用。（一）知识与技能1.知道反射定律的确切含义，知道反射光路是可逆的。2.理解折射定律的确切含义，并能用来解释相关的光现象。3.知道折射光路是可逆的，并能用来处理有关的问题。4.知道光疏介质和光密介质，知道折射率的定义及其与光速的关系，理解折射率。（二）过程与方法1.经历折射定律探究的实验过程，培养学生实验能力，培养学生分析、推理能力，体会猜想—验证的科学方法。2.通过画折射的光路图来解释有关的问题，学习用几何知识研究光的传播的方法，通过光路可逆培养逆向思维。（三）情感态度与价值观1.在折射定律的探究过程中，渗透物理研究和物理学习的科学态度教育，培养学生对科学的好奇心和求知欲，同时也让学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦。2、通过生活中折射现象的分析，激发学生学习物理知识的热情，并正确认识生活中的自然现象。重点：光的折射定律、理解折射率的概念.通过不同介质折射率的比较，让学生理解折射率与介质的特性有关，它反映了介质对光的偏折本领。难点：光的折射定律和折射率的理解4.学情分析（学生现状与需求分析）本节是高二选修3-4的一节新课，学生对光的现象已有简单的认识，对光学研究的一些物理量已有初步的了解，如入射角、反射角、折射角、法线、光的反射和折射现象，所以对光的反射和折射现象、反射定律、光的折射定律中折射光线、入射光线及界面的法线空间关系：共面的，分居法线两侧等知识点，只需借助光从空气进入玻璃的演示实验让学生回顾即可。学生对折射定律中入射角与折射角的定性关系比较清楚，从空气斜射入玻璃，入射角大于折射角，但是定量关系学生不清楚，这正是高中需要学习新的教学内容和加强折射率概念理解的地方，其一：设计演示实验定量探究是本节课的重点，其二：在猜想入射角与折射角定量关系时，学生可能短时间不容易猜测到，验证时处理实验数据繁琐，故借用excel表格处理数据的功能来用图像验证猜测的正确与否，节约时间。这样学生对于光从空气射入玻璃，入射角的正弦与折射角的正弦比为一个定值认识深刻，从而突破对折射率的理解这一教学难点。5.教与学的过程设计（课堂教与学的每个步骤的情境任务及其意图分析）教学环节教师活动学生活动设计意图引入在大量筒中加入水，斜插入一根筷子，请同学观察水面上下两部分对比出现什么现象？什么原因形成的？观察到水中的筷子向右偏移，是光的折射形成的。用生活中常见的物理现象激发学生学习动力。复习复习我们知道：光在同一均匀介质中是沿着直线传播的。那么，当介质不均匀或当光从一种介质进入另一种介质中时，会发生什么现象呢？实验验证：介绍光学演示仪，指明观察——光在从一种介质（空气）进入另一种介质（玻璃）时发生的现象（光从半圆柱玻璃砖圆心入射）演示：光在到达空气和玻璃的界面时，一部分光被反射回空气中，另一部分光进入玻璃继续传播，但传播方向发生了改变。光的反射和折射同时发生了。1、光的反射：光从一种介质传播至另一种介质界面时，有部分或全部光自界面返回原介质的现象。2、光的折射：光从一种介质进入另一种介质时，在两种介质的界面处，一部分光进入到另一种介质中，光的传播方向发生改变的现象。在光的反射现象中，应该遵循光的反射定律，其内容？在反射现象中,光路是可逆的。光的反射、光的折射观察和体会光的反射、折射概念反射光线跟入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。通过在黑板上演示光从空气射入半圆形玻璃砖发生的反射、折射，看到反射、折射光线的存在，巩固和复习初中学过的概念。应该体现反射定律内在的逻辑性，三线的空间关系和两角的定量关系，培养学生总结分析的逻辑能力。新课教学1这一节课我们复习光的反射和折射现象，知道光的反射遵循反射定律，那光的折射应该遵循何规律？1．介绍折射的相关物理量如图所示，光从空气射入介质，AO为入射光线，O为入射点，OC为折射光线。入射角:入射光线与法线间的夹角i叫做入射角。折射角:折射光线与法线间的夹角r叫做折射角。AA介质riC空气O2．在黑板上演示：激光笔发出绿光对准半圆形玻璃砖的光心从空气射入玻璃，观察折射光线和入射光线的相对位置及折射角和入射角的关系：（要解释半圆形玻璃砖内的折射光线与半圆面的出射光线共线，在半圆面发生了第二次折射，垂直入射垂直折射，所以折射角可以看出射光线。先演示特殊情况——光沿法线入射，不偏折，再演示任意角入射。a.让学生观察折射光线、入射光线及界面的法线空间关系：b.光从空气斜射入玻璃时，入射角始终大于折射角。3．定量测量8组入射角与折射角数据，建议入射角分别取10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，列出原始数据表（为了方便学生参与获取数据，用摄像头投影到大屏幕，大家一起读取和记录数据。但要先明确光线有一定宽度，可用光线的中心来读入射角和折射角）教师打开excel表格，录入测量数据并处理：入射角增大，折射角也增大，猜测：两者的差是不是定值呢？同学还有什么猜测？教师选择实验数据，运用excel自带的数据处理描点作图，得到i-r坐标中的8个点，前几个点大致在一条直线，后几个点位置明显不在线上，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，这点早在公元1400年，托勒密也曾经这样认识，否定了这种猜测。如果还让你来猜测，你还能猜想它们之间可能是什么关系？大家找不到思路，这并不是你们不够聪明，实在是因为入射角和折射角之间的关系太出人意料了。人类从积累入射角与折射角的数据到找出两者之间的定量关系，经历了近1500年的时间。科学研究是一件很艰苦的工作，需要有持之以恒的毅力，需要一种恒心和解决困难的勇气。希望大家不畏难，不怕苦，勇于探索和创新。一直到1621年，斯涅耳可能比较偏爱三角函数，当时猜测折射角的余割和入射角的余割成线性关系，也就是我们教材上说的入射角的正弦和折射角的正弦成正比。我们将数据的第三列运用公式编辑算出sinr，第四列算出sini，选定三、四两列数据，做出sinr-sini图像（x-y坐标轴），发现8个点在一条直线上，用直线拟合，线性很好，最后自动得到拟合的直线方程，纵轴截距非常小0.003，完全可以忽略，可以认为是过坐标原点的直线，入射角的正弦和折射角的正弦成正比，比值为一个常数1.48。4．学生总结折射定律的内容：5．在折射现象中光路也可逆，实验验证光从空气射入半圆形玻璃砖，入射角50°，折射角30.4°，反过来从半圆形玻璃砖半圆面以30.4°沿光心射入，在竖直面射出时角度50°。共面，分居法线两侧学生读取数据并记录学生计算数据验证老师的猜测，不对。入射角增大，折射角也增大，猜测：会不会两角的比值不变或者是线性关系？折射光线与入射光线、法线位于同一平面内；折射光线和入射光线分别位于法线的两侧；折射角正弦与入射角正弦成正比。观察并理解光路可逆培养类似概念的迁移能力培养学生观察和分析推理能力培养学生读取实验数据的能力培养学生处理实验数据的能力、培养学生创新精神和创新思维能力通过把测量的数据列表进行分析，试图找出事物内在、相联系的规律，这是物理研究的重要的步骤，体会物理研究中猜想—验证的科学研究方法物理学史的介绍渗透思想、方法、理解科学方法，树立科学精神培养学生总结和推理的能力通过光路可逆培养逆向思维。新课教学2二、折射率n光从空气进入玻璃时，入射角的正弦与折射角的正弦成正比，比值约为1.50。若光从空气进入另一种介质，比如进入水中时，尽管入射角的正弦与折射角的正弦之比仍为常，但这个常数却不是1.50，而是约1.33，可见这个常数跟介质有关系。我们设想光从空气进入玻璃和光从空气进入水中的入射角都是30°，则有：空气→玻璃：=1.50空气→水：=1.33显然θ2′＞θ2，我们画出光路图如图甲、乙所示，光从空气进入玻璃时，折射光偏离原来的传播方向更厉害，说明这个比值的大小能反映介质对光的偏折程度。比值越大，表明介质对光的偏折作用越大，能反映介质的光学性质。我们把这个比值叫做折射率，用n表示。定义折射率n=.1．折射率的定义折射率：光从空气射入介质n=2．对折射率的几点说明a．折射率定义式的适用条件：光从真空进入介质时，介质的折射率。b．n的大小与介质种类有关，与i和r无关，对于确定的介质，n是定值。光从空气进入介质近似于光从真空进入介质c．折射率反映介质对光的偏折作用：折射率较大的介质，折射光线向法线偏折的程度就较大，即折射角较小。d.折射率无单位，任何介质的折射率皆大于1。光密介质与光疏介质：两种介质相比，折射率大的称为光密介质；折射率小的称为光疏介质。3.折射率的决定因素a.光折射的原因是：光在不同介质中的速度不同.b.折射率n的决定式：n=n＞1三、实际应用应用1：画光路图解释我们看到水中筷子的像向右侧偏折。思考、对比探究常数的物理意义，理解折射率的概念从空气进入介质，入射角大于折射角，故折射率大于1。学生提出光在介质中速度不同是折射的原因。画光路分析，从物体发出两条入射光线，找折射光线的交点，即像点。认识到常数是反映介质的光学特性，即对光的偏折程度，由介质决定。加深对条件的认识折射率与介质有关，计算折射率的计算式培养学生分析问题、逻辑思维能力提高解决生活中与物理学习相关的实际问题的能力课堂小结1．光的折射定律是几何光学的三大基本规律之一，是研究几何光学的重要工具。高中阶段只研究在两种介质中其中一种是空气的两界面间的折射情况及所遵循的规律。在应用时，一定要注意画光路图，突出几何的特点。2．折射率是几何光学中非常重要的基本概念之一，它反映介质的光学性质。思考：光从介质1射入介质2（两者都不是真空），折射定律中入射角正弦与折射角正弦的比等于什么？可能有几种折射情况？若光从水中进入玻璃中，则入射角正弦与折射角正弦之比叫玻璃对水的折射率，也叫相对折射率。若水为介质Ⅰ，玻璃为介质Ⅱ,则写作n21=仿照n=可写出相对折射率n21===n21==通过迁移介质对真空即绝对折射率概念运用，提高思维能力，帮助学生深化认识，体会学习的成就感。作业布置1、解释水中的物体看上去会变浅，水的折射率为n。求：从物体上方看下去，视觉深度与物体实际深度的比值？2、