《2022年高中物理《實(shí)驗(yàn)：測定玻璃的折射率》輔導(dǎo)講義》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2022年高中物理《實(shí)驗(yàn)：測定玻璃的折射率》輔導(dǎo)講義（5頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022年高中物理《實(shí)驗(yàn)：測定玻璃的折射率》輔導(dǎo)講義 1．折射現(xiàn)象：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象． 2．折射定律：折射光線、入射光線跟法線在同一平面內(nèi)，折射光線、入射光線分居法線兩側(cè)，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比．注意：在折射現(xiàn)象中光路是可逆的． 3．折射率：（1）光從真空射入某種介質(zhì)時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的折射率.折射率用n表示.即. （2）某種介質(zhì)的折射率，等于光在真空中的傳播速度c與光在這種介質(zhì)中的傳播速度v之比.即：.由于v＜c，所以任何介質(zhì)的折射率都大于1. 4.玻璃磚：所謂玻璃磚一般指橫截面為矩形的棱柱，當(dāng)光線從

2、上表面入射，從下表面射出時(shí)，其特點(diǎn)是： ⑴射出光線和入射光線平行；⑵各種色光在第一次入射后就發(fā)生色散；⑶射出光線的側(cè)移和折射率、入射角、玻璃磚的厚度有關(guān)；⑷可利用玻璃磚測定玻璃的折射率。 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí) 圖1 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坷斫獠遽樂y定玻璃折射率的原理；會(huì)用插針法測定玻璃的折射率。 【實(shí)驗(yàn)原理】如圖1所示，用插針法找出與入射光線AO對(duì)應(yīng)的出射光線O＇B，確定出O＇點(diǎn)，畫出折射光線O O＇，然后測量出角θ1和θ2。多測幾次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)n=計(jì)算出平均值，就是玻璃的折射率。 說明：采用“插針法”來測定玻璃的折射率，利用了折射率的定義式，插針的目的是為了找到入射光線和出射光線，從而可以確定玻

3、璃內(nèi)部的折射光線，才能找到相應(yīng)的入射角θ1和折射角θ2. 【實(shí)驗(yàn)器材】 玻璃磚、白紙、大頭針、量角器、圓規(guī)、三角板、圖釘?shù)? 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1.用圖釘把白紙固定在木板上；2.在白紙上畫一條直線aa＇，并取aa＇上的一點(diǎn)O為入射點(diǎn)，做出過O的法線MN；3.畫出線段AO作為入射光線，并在AO上插上P1、P2兩根大頭針；4.在白紙上放上玻璃磚，使其中一個(gè)長邊與aa＇對(duì)齊，并畫出另一條長邊的對(duì)齊線bb＇；5.通過玻璃磚觀察并調(diào)整視線方向，使P1的像被P2擋住，然后在觀察一側(cè)插上大頭針P3，使P3擋住P2、P1的像，然后再插上大頭針P4，使其擋住P3和P2、P1的像；6.移去玻璃磚，拔掉大頭針

4、，由P3、P4的針孔位置確定出出射光線O＇B及O＇的位置，連接O、O＇得線段O O＇；7.用量角器量出入射角θ1和出射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2；8.改變?nèi)肷浣?，重?fù)實(shí)驗(yàn)，算出不同入射角時(shí)的的值，并取平均值。 【注意事項(xiàng)】 1.玻璃磚宜選寬度大些好，實(shí)驗(yàn)過程中玻璃磚與白紙的相對(duì)位置不能改變；2.大頭針應(yīng)豎直插立，兩大頭針間距宜大；3.所選入射角不應(yīng)過大，否則在另一側(cè)面看不清P1、P2的像，但也不要太小，否則誤差較大；4．在操作時(shí)，手盡量不要觸摸玻璃磚的光潔面，也不能把玻璃磚界面當(dāng)尺子畫界線。 【數(shù)據(jù)處理】 1.作圖法：為了減小誤差，可以用作圖法求出折射率，改變不同

5、的入射角θ1，測出不同的折射角θ2，以sinθ1為橫坐標(biāo)，sinθ2為縱坐標(biāo)，做出sinθ1―sinθ2圖象，由n=可知圖象應(yīng)為直線，則直線的斜率就表示玻璃的折射率。 圖2 2.直尺圓規(guī)測量法： 所謂“直尺圓規(guī)測量法”，如右圖所示，以Ｏ點(diǎn)為圓心，以一定長R為半徑，畫一個(gè)圓交入射光線于E點(diǎn)，交折射光線O O＇于E＇，過E做NN＇的垂線EH，過E＇做NN＇的垂線E＇H＇，如右圖所示，sinθ1＝，sinθ2＝，OE＝OE＇＝R，則n=＝。只要用刻度尺測出EH、E＇H＇的長度就可以求出n。 【誤差分析】 1.誤差來源于實(shí)驗(yàn)器材的選擇，選用玻璃磚寬度較小，小于5cm則測量誤差較大。2. 用鉛筆

6、作光路圖時(shí)，畫的線要細(xì)，以減小誤差。3. 若用刻度尺去測量長度時(shí)，盡量選用較精密的測量工具。4. 若用量角器去測量入射角和折射角時(shí)，視線要與刻度面垂直，使測量結(jié)果較準(zhǔn)確，減小誤差。 例1 在“測定玻璃磚的折射率”的實(shí)驗(yàn)中，有兩位同學(xué)各設(shè)計(jì)了一個(gè)記錄表格，而且都已完成了計(jì)算.根據(jù)他們設(shè)計(jì)的表格所反映的信息，判斷他們做的是否正確. 甲同學(xué)設(shè)計(jì)的表格是： 次數(shù) 入射角θ1 sinθ1 折射角θ2 sinθ2 n n 1 30° 0.500 20.9° 0.357 1.40 1.40 2 45° 0.707 30.5° 0.508 1.39 3 60°

7、 0.866 38.0° 0.616 1.41 乙同學(xué)設(shè)計(jì)的表格是： 次數(shù) 1 2 3 角平均值 正弦值 n 入射角θ1 30° 45° 60° 45° 0.707 1.42 折射角θ2 20.9° 30.5° 38.0° 28.8° 0.497 圖3 （1）上述兩位同學(xué)做的正確的是______（選填“甲”或“乙”）. （2）根據(jù)你的選擇，請(qǐng)利用恰當(dāng)?shù)膱D象求出玻璃的折射率。 解析：（1）為減小測量誤差，應(yīng)采用多次測量求平均值的辦法，但求平均值不是求入射角和折射角的平均值，而應(yīng)是測出每一次的入射角、折射角，計(jì)算出每一次測量的折射率，然后再

8、求平均值，因此甲同學(xué)的表格設(shè)計(jì)是合理的。 圖4 （2）以sinθ2為橫坐標(biāo)，以sinθ1為縱坐標(biāo)，建立sinθ2—sinθ1坐標(biāo)系，利用表中的數(shù)據(jù)做出圖象，如圖3所示，由圖象斜率的物理意義可得：n=k= sinθ1/ sinθ2.在圖象上取兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)，如（0.357，0.500）和（0.616，0.866）代入上式，可解得：n=1.40。 例2 在做“測定玻璃磚折射率”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，乙同學(xué)為了避免筆尖接觸玻璃面，畫出的a′b′和c′d′都比實(shí)際側(cè)面向外側(cè)平移了一些，如圖4所示，以后的操作都正確，畫光路圖時(shí)，將入射點(diǎn)和折射點(diǎn)確定在a′b′和c′d′上，則測出的折射率將_________

9、_____； 圖5 解析：根據(jù)題中的情況，做出相應(yīng)光路圖，如圖5所示，從圖中可看出在該同學(xué)的操作下，使入射點(diǎn)O1向左平移，折射點(diǎn)O2將向右移，所畫出的折射角r′比實(shí)際折射角r偏大，而入射角又不變，由知，測得的折射角將偏?。? 方法技巧：本實(shí)驗(yàn)中，所畫界面寬度只要小于玻璃磚寬度，測定折射率就偏大；反之就小?？珊営洖椤靶〈蟠笮　?。 甲 　例3 在“測定玻璃磚的折射率”的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)一塊兩面平行的玻璃磚用“插針法”找出入射光線對(duì)應(yīng)的折射光線，現(xiàn)在有甲、乙、丙、丁四位同學(xué)分別作出如下圖6所示的四組插針結(jié)果. 圖7 圖6 （1）從圖7中看肯定把

10、針插錯(cuò)的同學(xué)是：_____________； （2）從圖中看，測量結(jié)果準(zhǔn)確度較高的是：____________． 解析：分別連接確定入射光線和折射光線的兩點(diǎn)，并延長與玻璃磚上下界面分別交于O、O′，連接OO′后，可以確定入射光線和折射光線以及入射角i和折射角r，根據(jù)i>r，r′

11、圖1 實(shí)驗(yàn)拓展與探究 【拓展一】 如圖1所示，是利用插針法測定玻璃磚的折射率的實(shí)驗(yàn)得到的光路圖。玻璃磚的入射面AB和射出面CD并不平行，則： （1）出射光線與入射光線還平行嗎？ （2）以入射點(diǎn)O為圓心，以R=5cm長度為半徑畫圓，與入射光線PO交于M點(diǎn)，與折射光線OO，的延長線交于F點(diǎn)，過M、F點(diǎn)分別向法以線作垂線，測得，，該玻璃磚的折射率n是多少？ 探究：（1）由于入射面AB和射出面CD并不平行，使得兩法線不平行，所以出射光線與入射光線不再平行。 （2）因?yàn)閟in∠MON=，sin∠EOF=，根據(jù)n====1.5。 圖2 【拓展二】一塊玻璃磚有兩個(gè)相互平行的表面，其中一個(gè)表面

12、是鍍銀的（光線不能通過此表面）?，F(xiàn)要測定此玻璃的折射率。給定的器材還有：白紙、鋼筆、大頭針4枚（P1、P2、P3、P4）、帶有刻度的直角三角板、量角器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將玻璃磚放到白紙上，使上述兩個(gè)相互平行的表面與紙面垂直。在紙上畫出直線aa，和bb，，aa，表示鍍銀的玻璃表面，bb，表示另一表面，然后，在白紙上豎直插上兩枚大頭針P1、P2，如圖2所示，用P1、P2的連線表示入射光線。 （1）為了測量折射率，應(yīng)如何正確用大頭針P3、P4？試在題圖中標(biāo)出P3、P4的位置。 （2）然后，移去玻璃磚與大頭針。試在題圖中通過作圖的方法標(biāo)出光線從空氣到玻璃中的入射角θ1與折射角θ2。簡要寫出作圖步驟。

13、圖3 （3）寫出用θ1、θ2表示的折射率公式為n= 。 探究：（1）在bb，一側(cè)觀察P1、P2（由P1、P2發(fā)出的光經(jīng)bb，折射，再經(jīng)aa，反射，最后經(jīng)bb，折射后射出）的像，在適當(dāng)?shù)奈恢貌迳螾3，使得P3擋住P1、P2的像（在一條直線上）；再插上P4，讓它擋住P2（或P1）的像和P3。如圖3所示。 （2）①過P1、P2作直線與bb，交于O；②過P3、P4作直線與bb，交于O，；③利用刻度尺找到OO，的中點(diǎn)M；④過O點(diǎn)作bb，的垂線CD，過M點(diǎn)作bb，的垂線與aa，相交于N，連結(jié)ON；⑤∠P1OD=θ1，∠CON=θ2。 （3）n=sinθ1/sinθ2。 圖4

14、【拓展三】在用插針法測定玻璃磚折射率的實(shí)驗(yàn)中，甲、乙、丙三位同學(xué)在紙上畫出的界面aa，、bb，與玻璃磚位置的關(guān)系分別如圖4中①②③所示，其中甲、丙兩同學(xué)用的是矩形玻璃磚，乙同學(xué)用的是梯形玻璃磚，他們的其他操作均正確，且均以aa，、bb，為界面畫光路圖，則這三位同學(xué)測得的折射率與真實(shí)值相比分別有何變化？ a a， b， b o o θ2 θ1 圖5 探究：甲同學(xué)測得的折射率與真實(shí)值相比偏小。由于所畫玻璃磚的寬度比實(shí)際寬度大，測量的O，點(diǎn)比實(shí)際的O，向右移，使所畫的折射角θ2比實(shí)際的偏大，如圖5所示，由于入射角不變，根據(jù)n=可知測得折射率偏小。 乙同學(xué)測得的折射率與真實(shí)值相比

15、不變；由于入射面aa，和射出面bb，不平行，使的上、下面兩法線不平行，所以出射光線與入射光線不再平行，但不影響折射點(diǎn)O，，所以所畫的折射角θ2與實(shí)際的相同。 丙同學(xué)測得的折射率與真實(shí)值相比可能偏大、可能偏小、可能不變。原因是當(dāng)過P3、P4作直線與畫出的界面bb，交于O，；若O，恰好落在畫出的界面bb，和玻璃磚下表面的交點(diǎn)上，測得的折射率與真實(shí)值相比不變；若O，落在畫出的界面bb，和玻璃磚下表面交點(diǎn)的左側(cè)（折射角偏大），測得的折射率與真實(shí)值相比偏??；若O，落在畫出的界面bb，和玻璃磚下表面交點(diǎn)的右側(cè)（折射角偏?。瑴y得的折射率與真實(shí)值相比偏大。 圖6 友情提醒：對(duì)于測定玻璃折射率實(shí)驗(yàn)中，所

16、測得的折射率是變大還是變小，關(guān)鍵是根據(jù)折射率: 去進(jìn)行判斷，看入射角的正弦值、折射角的正弦值的變化來確定折射率的變化，找出誤差的來源，分析誤差變化。 【拓展四】在做“測定玻璃磚折射率”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，丙同學(xué)在操作和作圖時(shí)均無失誤，但是所用玻璃磚的兩個(gè)表面明顯不平行，如圖6所示，則測出的折射率將_____________． 探究：同本實(shí)驗(yàn)的操作過程一樣，根據(jù)入射光線和出射光線確定玻璃內(nèi)的折射光線，從而確定折射角和出射角，只要第二個(gè)界面不發(fā)生全反射就行了．不過，入射光線和出射光線不平行，如題圖所示．所以所用玻璃磚的兩個(gè)表面明顯不平行時(shí)，測量結(jié)果是不會(huì)有影響的。 圖7 【拓展五】能否利用全反射

17、現(xiàn)象測定平行板玻璃磚的折射率？ 探究：光全反射要滿足兩個(gè)條件：光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，入射角大于臨界角。對(duì)平行板玻璃磚，當(dāng)光從玻璃射入空氣才有可能發(fā)生全反射，但入射角r′等于r，如圖7所示，而r為第一次折射時(shí)的折射角，因?yàn)閕<900，所以據(jù)光路可逆iˊ=i<900，在玻璃磚下表面處不會(huì)發(fā)生全反射，所以在測定平行板玻璃磚的折射率時(shí)不能利用光的全反射原理來測定它的折射率。 測定玻璃折射率的其他方法 一、測定球形玻璃的折射率 圖1 例1 某同學(xué)在測定一厚度均勻的圓形玻璃的折射率時(shí)，先在白紙上作一與圓形玻璃同半徑的圓，圓心為O，將圓形玻璃平放在白紙上，使其邊界與所畫的圓重合，在玻璃的一側(cè)

18、豎直插兩枚大頭針P1和P2，在另一側(cè)再先后插兩枚大頭針P3和P4，使從另一側(cè)隔著玻璃觀察時(shí)，大頭針P4、P3和P2、P1的像恰好在一條直線上，移去玻璃和大頭針后得到圖3所示的光路圖，請(qǐng)?jiān)趫D中畫出： 圖2 （1）沿P1、P2連線方向的入射光線通過圓形玻璃后的傳播方向； （2）光線在玻璃內(nèi)的傳播方向； （3）在光線的入射點(diǎn)作法線，標(biāo)出入射角i和折射角γ； （4）寫出計(jì)算玻璃折射率的公式(不必計(jì)算). 解析：（1）、（2）、（3）問的答案如圖2所示。 （4）計(jì)算玻璃折射率的公式為： 二、如何測定玻璃三棱鏡的折射率 圖3 對(duì)于玻璃三棱鏡折射率的測定，其方法與球形玻璃折射率的測定方法是一樣的：在玻璃的一側(cè)豎直插兩枚大頭針P1和P2，在另一側(cè)再先后插兩枚大頭針P3和P4，使從另一側(cè)隔著玻璃觀察時(shí)，大頭針P4、P3和P2、P1的像恰好在一條直線上，移去玻璃和大頭針后得到圖3所示的光路圖，可以按光路圖確定入射光線AO，出射光線O′B，則OO′為折射光線用量角器量出i、γ，即可求出折射率 方法技巧：解決這類問題的基本思路和方法是：仔細(xì)閱讀題目，理解題意，在了解所介紹的實(shí)驗(yàn)儀器的基本原理、使用方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用以前所學(xué)過的知識(shí)、使用過的儀器和做過實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行情景遷移、聯(lián)想類比，就可解決問題。