【物理】2018届一轮复习人教版实验十四测定玻璃的折射率学案 13页

实验十四 测定玻璃的折射率 ‎1.学会用插针法确定光路.‎ ‎2.会用玻璃砖和光的折射定律测定玻璃的折射率．‎ ‎ ‎ 一、基本实验要求 ‎1．实验原理 如实验原理图甲所示，当光线AO1以一定的入射角θ1穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO1对应的出射光线O2B，从而求出折射光线O1O2和折射角θ2，再根据n＝或n＝算出玻璃的折射率．‎ ‎2．实验器材 木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔．‎ ‎3．实验步骤 ‎(1)用图钉把白纸固定在木板上．‎ ‎(2)在白纸上画一条直线aa′，并取aa′上的一点O为入射点，作过O点的法线NN′.‎ ‎(3)画出线段AO作为入射光线，并在AO上插上P1、P2两根大头针．‎ ‎(4)在白纸上放上玻璃砖，使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐，并画出另一条长边的对齐线bb′.‎ ‎(5)眼睛在bb′的一侧透过玻璃砖观察两个大头针并调整视线方向，使P1的像被P2的像挡住，然后在眼睛这一侧插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，再插上P4，使P4挡住P3和P1、P2的像．‎ ‎(6)移去玻璃砖，拔去大头针，由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线O′B及出射点O′，连接O、O′得线段OO′.‎ ‎(7)用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2.‎ ‎(8)改变入射角，重复实验，算出不同入射角时的，并取平均值．‎ 二、规律方法总结 ‎1．数据处理 ‎(1)计算法：用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2.算出不同入射角时的，并取平均值．‎ ‎(2)作sinθ1－sinθ2图象：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sinθ1－sinθ2图象，由n＝可知图象应为直线，如实验原理图乙所示，其斜率为折射率．‎ ‎(3)“单位圆”法确定sinθ1、sinθ2，计算折射率n.‎ 以入射点O为圆心，以一定的长度R为半径画圆，交入射光线OA于E点，交折射光线OO′于E′点，过E作NN′的垂线EH，过E′作NN′的垂线E′H′.如实验原理图丙所示，sinθ1＝，sinθ2＝，OE＝OE′＝R，则n＝＝.只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n.‎ ‎2．注意事项 ‎(1)用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面，严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb′.‎ ‎(2)实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动．‎ ‎(3)大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一点，以减小确定光路方向时造成的误差．‎ ‎(4)实验时入射角不宜过小，否则会使测量误差过大，也不宜过大，否则在bb′一侧将看不到P1、P2的像．‎ 高频考点一　实验的原理与操作 例1．某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率，所用的玻璃砖两面平行．正确操作后，作出的光路图及测出的相关角度如图1所示．‎ 图1‎ ‎(1)此玻璃的折射率计算式为n＝________(用图中的θ1、θ2表示)．‎ ‎(2)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选用宽度________(填“大”或“小”)的玻璃砖来测量．‎ 答案　(1)　(2)大 解析　(1)光线由空气射入玻璃的入射角i＝90°－θ1，折射角r＝90°－θ2‎ ‎，由折射率的定义可得：n＝＝＝，根据平行玻璃砖对光线的影响可知，玻璃砖宽度越大，侧移量越大，折射角的测量误差越小．‎ ‎【变式探究】用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插入两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，使P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图2所示．‎ 图2‎ ‎(1)在题图上画出所需的光路．‎ ‎(2)为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是_______，_______，在图上标出它们．‎ ‎(3)计算折射率的公式是________．‎ 答案　见解析 高频考点二　数据处理及误差分析 例3．在“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确操作插好了4枚大头针，如图3甲所示．‎ ‎(1)在图乙中画出完整的光路图．‎ ‎(2)对你画出的光路图进行测量和计算，求得该玻璃砖的折射率n ‎＝____(保留3位有效数字).‎ ‎(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象，某同学做了两次实验，经正确操作插好了8枚大头针，如图丙所示．图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和________(填“A”或“B”)．‎ 图3‎ 答案　(1)见解析图　(2)1.53(说明：1.53±0.03范围内都可)　(3)A 解析　(1)分别连接玻璃砖两侧的大头针所在的点并延长，与玻璃砖边分别相交，标出传播方向，然后连接玻璃砖边界的两交点，即为光线在玻璃砖中的传播路径．光路图如图所示．‎ ‎【变式探究】在用插针法测定玻璃砖的折射率的实验中，甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图4①、②和③所示，其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖．他们的其他操作均正确，且均以aa′、bb′为界面画光路图．‎ 图4‎ ‎(1)甲同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．‎ ‎(2)乙同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．‎ ‎(3)丙同学测得的折射率与真实值相比________．‎ 答案　(1)偏小　(2)不变 ‎(3)可能偏大、可能偏小、可能不变 ‎【举一反三】如图5，用插针法测定玻璃折射率的实验中，以下说法正确的是(　　)‎ 图5‎ ‎(1)P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以提高准确度 ‎(2)P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些，可以提高准确度 ‎(3)入射角θ1适当大些，可以提高准确度 ‎(4)入射角太大，折射光线会在玻璃砖的内表面发生全反射，使实验无法进行 ‎(5)P1、P2的间距、入射角的大小均与实验的准确度无关 A．(1)(3) B．(2)(4)‎ C．(3)(5) D．(1)(4)‎ 答案　A 解析　实验根据大头针确定入射光线和出射光线，在连线及测量时必然有误差，P1、P2和P3、P4之间距离适当大些，可以减小误差，故(1)正确，(2)错误；实验要求入射角不能太小，否则会导致测量误差太大，(3)正确；根据几何知识知光在第二界面的入射角等于在第一界面的折射角，即小于临界角，不会发生全反射，(4)错误；综合上述分析知(5)错误．故选A.‎ 高频考点三　实验拓展与创新 例3．某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率．开始时玻璃砖的位置如图6中实线所示，使大头针P1、P2与圆心O在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察P1、P2的像，且P2的像挡住P1的像．如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失．此时只需测量出________，即可计算出玻璃砖的折射率．请用你的测量值表示出折射率：________.‎ 图6‎ 答案　玻璃砖直径边绕O点转过的角度θ　n＝ ‎【变式探究】学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器，如图7所示．在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上，垂直盘面插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2的像，同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值，则：‎ 图7‎ ‎(1)若∠AOF＝30°，OP3与OC的夹角为30°，则P3处所对应的折射率的值为_______．‎ ‎(2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率的值大？‎ 答：____________________________________________________________________.‎ ‎(3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率的值应为________．‎ 答案　(1)　(2)P4处对应的折射率的值大　(3)1‎ ‎【举一反三】小明同学设计了一个用刻度尺测半圆形玻璃砖折射率的实验，如图8所示，他进行的主要步骤是：‎ 图8‎ A．用刻度尺测玻璃砖的直径AB的大小d.‎ B．先把白纸固定在木板上，将玻璃砖水平放置在白纸上，用笔描出玻璃砖的边界，将玻璃砖移走，标出玻璃砖的圆心O、直径AB、AB的法线OC.‎ C．将玻璃砖放回白纸的原处，长直尺MN紧靠A点并与直径AB垂直放置．‎ D．调节激光器，使PO光线从玻璃砖圆弧面沿半径方向射向圆心O，并使长直尺MN的左右两侧均出现亮点，记下左侧亮点到A点的距离x1，右侧亮点到A点的距离x2.则：‎ ‎①小明利用实验数据计算此玻璃砖折射率的表达式为n＝________.‎ ‎②关于上述实验，以下说法正确的是________．‎ A．在∠BOC的范围内，改变入射光线PO的入射角，直尺MN上可能只出现一个亮点 B．左侧亮点到A点的距离x1一定小于右侧亮点到A点的距离x2‎ C．左侧亮点到A点的距离x1一定大于右侧亮点到A点的距离x2‎ D．要使左侧亮点到A点的距离x1增大，应减小入射角 答案　(1) 　(2)ABD ‎(2)当入射角大于等于发生全反射的临界角时，只有反射没有折射，则直尺MN上只出现一个亮点，故A正确．光从玻璃射入真空，折射角大于入射角，通过几何关系知，x1