專題4 光學(xué)重要實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 專題概述考情分析光學(xué)重要實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)：測(cè)定玻璃的折射率和用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)。前者為幾何光學(xué)的知識(shí)的考查，后者為光的干涉知識(shí)的考查。高考中對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的命題以教材中的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作步驟和實(shí)驗(yàn)誤差分析為重點(diǎn)，前者的實(shí)驗(yàn)題經(jīng)常出現(xiàn)選擇題中，后者的實(shí)驗(yàn)往往考查基本公式和基本規(guī)律。復(fù)習(xí)指導(dǎo)光學(xué)實(shí)驗(yàn)與電學(xué)實(shí)驗(yàn)相比較，應(yīng)該更容易掌握。測(cè)定玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)中以考查折射定律為核心，要求能熟練畫光路圖、理解入射角與折射角的定義、熟練操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程并親自做實(shí)驗(yàn)、運(yùn)用數(shù)學(xué)圓的知識(shí)通過(guò)刻度尺測(cè)量長(zhǎng)度來(lái)巧妙代替用量角器測(cè)角度從而減小實(shí)驗(yàn)誤差；用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中以考查相鄰的兩條亮（暗）條紋間距的公式為核心，要求熟練掌握測(cè)量頭讀數(shù)方法，會(huì)分析不同單色光的波長(zhǎng)、屏與雙縫間距離、雙縫間距對(duì)相鄰的兩條亮（暗）條紋間距的影響。典例調(diào)研考點(diǎn)一測(cè)定玻璃的折射率的創(chuàng)新設(shè)計(jì)AP1P2P3xyOM【調(diào)研1】如圖，畫有直角坐標(biāo)系Oxy的白紙位于水平桌面上，M是放在白紙上的半圓形玻璃磚，其底面的圓心在坐標(biāo)的原點(diǎn)，直邊與x軸重合，OA是畫在紙上的直線，P1、P2為豎直地插在直線OA上的兩枚大頭針，P3是豎直地插在紙上的第三枚大頭針，是直線OA與y軸正方向的夾角，是直線OP3與軸負(fù)方向的夾角，只要直線OA畫得合適，且P3的位置取得正確，測(cè)得角和，便可求得玻璃得折射率。（1）某學(xué)生在用上述方法測(cè)量玻璃的折射率，在他畫出的直線OA上豎直插上了P1、P2兩枚大頭針，但在y<0的區(qū)域內(nèi)，不管眼睛放在何處，都無(wú)法透過(guò)玻璃磚看到P1、P2的像，他應(yīng)該采取的措施是_。（2）若他已透過(guò)玻璃磚看到了P1、P2的像，確定P3位置的方法是_。（3）若他已正確地測(cè)得了的、的值，則玻璃的折射率n=_.【解析】（1）由于光線是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)的，如果入射角度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致在x軸上發(fā)生全反射現(xiàn)象，而在y<0的區(qū)域內(nèi)，不管眼睛放在何處，都無(wú)法透過(guò)玻璃磚看到P1、P2的像，故采取的措施為減小入射角，在白紙上另畫一條與y軸正方向的夾角較小的直線OA，然后按正確的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作。（2）插入P3后，P3剛好能擋住P1、P2的像，說(shuō)明光線從玻璃中入射到空氣中的出射光線經(jīng)為OP3，這樣P1、P2的像就被P3擋住。（3）根據(jù)折射定律，注意角為光疏介質(zhì)中的角，其正弦值要大，才能保證折射率n大于1，符合折射定律的規(guī)律?！敬鸢浮浚?）在白紙上另畫一條與y軸正方向的夾角較小的直線OA，把大頭針P1、P2豎直地插在所畫的直線上，直到在y<0的區(qū)域內(nèi)透過(guò)玻璃磚能看到P1、P2的像。（2）插上P3后，P3剛好能擋住P1、P2的像。（3）OP2P2P1P1【方法歸類】1、測(cè)定玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)，難點(diǎn)在于找到入射角和折射角，正確理解折射定律公式中分子與分母的大小關(guān)系。2、同時(shí)本實(shí)驗(yàn)的誤差分析也是高考中常考的方式，關(guān)鍵在于在于將測(cè)量過(guò)程中的光路圖與還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)（或正確實(shí)驗(yàn)操作步驟）的比較，通過(guò)折射定律進(jìn)行合理分析。注意玻璃磚的兩個(gè)側(cè)面在白紙上的位置的正確劃線與實(shí)際操作中的劃線的區(qū)別、入射光線的入射點(diǎn)的正確操作與實(shí)際操作的區(qū)別、出射光線的出射點(diǎn)的正確操作與實(shí)際操作的區(qū)別、入射點(diǎn)與出射點(diǎn)的正確操作與實(shí)際操作的區(qū)別等幾個(gè)方面，是正確進(jìn)行誤差分析的必經(jīng)之路。3、該實(shí)驗(yàn)的原理中要求用量角器測(cè)量入射角和折射角，但由于量角器本身是粗測(cè)的儀器，故該實(shí)驗(yàn)原理常常會(huì)有其它更加合理的原理代替，如圖所示，將入射點(diǎn)O作為圓心，以入射光線的延長(zhǎng)線OP2為半徑做圓，此圓與折射光線相交于P1，則入射角的正弦值sin = P2 P2/OP2，折射角的正弦值sin = P1 P1/OP1，OP1與OP2為圓的半徑，故折射率n = = ，這樣用測(cè)量OP1與OP2的長(zhǎng)度來(lái)代替用量角器測(cè)量角度，大大減小了測(cè)量的誤差?？键c(diǎn)二測(cè)光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)【調(diào)研2】010 150 5 1025 30圖a圖b在某次用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中，已知雙縫到光屏之間的距離是600mm，雙縫之間的距離是0.20mm，某同學(xué)在用測(cè)量頭測(cè)量時(shí)，先將測(cè)量頭目鏡中看到的分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)某條亮紋（記作第1條）的中心，這時(shí)手輪上的示數(shù)如圖a所示然后他轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量頭，使分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)第7條亮紋的中心，這時(shí)手輪上的示數(shù)如圖b所示這兩次示數(shù)依次為_mm和_mm由此可以計(jì)算出這次實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的單色光的波長(zhǎng)為_nm（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）【解析】測(cè)量頭就是螺旋測(cè)微器，對(duì)于第一次第1條亮紋中心對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，從固定刻度讀出0.5mm,可動(dòng)刻度讀出14.1×0.01mm=0.141mm，故總讀數(shù)為：0.5mm+0.141mm=0.641mm；第二次第7條亮紋中心對(duì)應(yīng)的讀數(shù)可按照同樣的方法讀出為10.293mm。所以六條亮紋的總間距即兩次讀數(shù)之差9.652mm，可求得相鄰亮紋中心的距離x1.609mm，再由算出波長(zhǎng)為536 nm?！敬鸢浮?.641；10.293；536【誤點(diǎn)警示】利用雙縫干涉測(cè)光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的易錯(cuò)點(diǎn)主要有：1、測(cè)量頭的讀數(shù)，要注意掌握游標(biāo)卡尺與螺旋測(cè)微器的讀數(shù)方法；2、相鄰兩條亮（暗）條紋的距離公式，注意L為屏與雙縫之間的距離，d為雙縫間距；3、為了減小測(cè)量誤差，兩次測(cè)量頭的分劃板中心刻線對(duì)準(zhǔn)的亮條紋之間有多個(gè)亮條紋，要注意相鄰兩條亮條紋間距在計(jì)算時(shí)的處理；4、計(jì)算中要謹(jǐn)記單位換算與統(tǒng)一。創(chuàng)新預(yù)測(cè)1用三棱鏡做測(cè)定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)，先在白紙上放好三棱鏡，在棱鏡的一側(cè)插上兩枚大頭針P1和P2，然后在棱鏡的另一側(cè)觀察，調(diào)整視線使P1的像被P2擋住接著在眼睛所在的一側(cè)插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像。P4擋住P3和P1、P2的像，在紙上標(biāo)出的大頭針位置和三棱鏡輪廓如圖所示（1）在本題的圖上畫出所需的光路（2）為了測(cè)出棱鏡玻璃的折射率，需要測(cè)量的量是 、 ，在圖上標(biāo)出它們（3）計(jì)算折射率的公式是n 2學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí)。某研究小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)的光學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)液體析射率的儀器如圖所示在一個(gè)圓盤上。過(guò)其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF，在半徑OA上垂直盤面插下兩枚大頭針P1、P2并保持P1、P2位置不變，每次測(cè)量時(shí)讓圓盤的下半部分豎直進(jìn)入液體中，而且總使得液面與直徑BC相平，EF作為界面的法線，然后在圖中右上方區(qū)域觀察Pl、P2的像，并在圓周上插上大頭針P3，使P3正好擋住Pl、P2，同學(xué)們通過(guò)計(jì)算，預(yù)先在圓周EC部分刻好了折射率的值這樣只要根據(jù)P3所插的位置，就可直接讀出液體折射率的值則：（1）若AOF=30°，OP3與OC的夾角為30°，則P3處所對(duì)應(yīng)的折射率的值為 （2）圖中P3、P4兩位置哪一處所對(duì)應(yīng)的折射率值大?答： （3）做AO的延長(zhǎng)線交圓周于K，K處所對(duì)應(yīng)的折射率值應(yīng)為 .3如圖所示，一束細(xì)的復(fù)色光從空氣中射到半球形玻璃體球心O點(diǎn)，經(jīng)折射分為a、b兩束光，分別由P、Q兩點(diǎn)射出玻璃體。PP、QQ均與過(guò)O點(diǎn)的界面法線垂直.設(shè)光線a、b在玻璃體內(nèi)穿行所用時(shí)間分別為ta、tb，則ta: tb等于（ ）A.QQ:PP B.PP:QQ C.OP:OQ D.OQ:OP4在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，以白光為光源，在屏上觀察到彩色干涉條紋若在雙縫中的一條縫前放一紅色濾光片，在另一條縫前放一綠色濾光片，此時(shí)（ ）A只有紅色和綠色的干涉條紋，其他顏色的雙縫干涉條紋消失B紅色和綠色的干涉條紋消失，其他顏色的雙縫干涉條紋依然存在C任何顏色的雙縫干涉條紋都不存在，但屏上仍有光亮D屏上無(wú)任何光亮【創(chuàng)新預(yù)測(cè)答案】ir1、（1）如圖所示【解析】如圖，畫出通過(guò)Pl、P2的入射光線交AC面于O，畫出通過(guò)P3、P4的出射光線交AB面于O/，則光線OO/就是入射光線Pl P2在三棱鏡中的折射光線（2）i；r【解析】在所畫的圖上，標(biāo)明入射角i和折射角r，并畫出虛線部分用量角器測(cè)量出i和r或用刻度尺測(cè)出線段 EF、OE、GH、OG的長(zhǎng)度（3）【解析】根據(jù)折射定律，折射率等于入射角的正弦值與折射角的正弦值的比值：，或根據(jù)，得：。2（1）【解析】入射角為i= AOF=30°，折射角r = EOP3=60°，根據(jù)折射定律n = =。（2）p4 【解析】P4位置對(duì)應(yīng)的折射角r較大，故對(duì)應(yīng)的折射率也較大。（3）1【解析】K處對(duì)應(yīng)的折射角為30°，根據(jù)折射定律可得n = 1 。3A【解析】不同單色光對(duì)玻璃的折射率不同，由公式n，t，其中r為半球玻璃半徑，v為單色光在玻璃中的傳播速度，可知所用的時(shí)間ta: tbQQ:PP 。.4C【解析】根據(jù)產(chǎn)生雙縫干涉的條件，應(yīng)使通過(guò)雙縫的光為同頻率的相干光源當(dāng)雙縫前分別放置紅色或綠色濾光片后，通過(guò)雙縫的兩列光的頻率不同，將不發(fā)生干涉，屏幕上將觀察不到干涉條紋，因此選項(xiàng)A、B是錯(cuò)誤的當(dāng)雙縫前分別放置紅色或綠色濾光片后，雖然不發(fā)生干涉，但每個(gè)縫分別發(fā)生紅光或綠光的衍射，因此屏上仍有光亮，可見選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D是錯(cuò)誤的總之，只有選項(xiàng)C正確