2020版高考物理大一輪復習 第十四章 實驗十五 測定玻璃的折射率講義(含解析)教科版.docx
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實驗十五 測定玻璃的折射率 1.實驗原理 如圖1所示,當光線AO以一定的入射角i穿過兩面平行的玻璃磚時,通過插針法找出跟入射光線AO對應的出射光線O′B,從而求出折射光線OO′和折射角r,再根據(jù)n=或n=計算出玻璃的折射率. 圖1 2.實驗器材 木板、白紙、玻璃磚、大頭針、圖釘、量角器、三角板、鉛筆. 3.實驗步驟 (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O為入射點,作過O點的法線MM′. (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,使玻璃磚的一條長邊與直線aa′對齊,并畫出另一條長邊的對齊線bb′. (5)眼睛在bb′的一側透過玻璃磚觀察兩個大頭針并調整視線方向,使P1的像被P2的像擋住,然后在眼睛這一側插上大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像,再插上P4,使P4擋住P3和P1、P2的像. (6)移去玻璃磚,拔去大頭針,由大頭針P3、P4的針孔位置確定出射光線O′B及出射點O′,連接O、O′得線段OO′. (7)用量角器測量入射角i和折射角r,并查出其正弦值sini和sinr. (8)改變入射角,重復實驗,算出不同入射角時的,并取平均值. 1.數(shù)據(jù)處理 (1)計算法:用量角器測量入射角i和折射角r,并查出其正弦值sini和sinr.算出不同入射角時的,并取平均值. (2)作sini-sinr圖像:改變不同的入射角i,測出不同的折射角r,作sini-sinr的圖像,由n=可知圖像應是過原點的直線,如圖2所示,其斜率為折射率. 圖2 (3)“單位圓”法確定sini、sinr,計算折射率n. 以入射點O為圓心,以一定的長度R為半徑畫圓,交入射光線AO于E點,交折射光線OO′于E′點,過E作NN′的垂線EH,過E′作NN′的垂線E′H′,如圖3所示,sini=,sinr=,OE=OE′=R,則n==.只要用刻度尺量出EH、E′H′的長度就可以求出n. 圖3 2.注意事項 (1)用手拿玻璃磚時,手只能接觸玻璃磚的毛面或棱,不能觸摸光潔的光學面,嚴禁把玻璃磚當尺子畫玻璃磚的另一邊bb′. (2)實驗過程中,玻璃磚在紙上的位置不可移動. (3)大頭針應豎直地插在白紙上,且玻璃磚每兩枚大頭針P1與P2間、P3與P4間的距離應大一點,以減小確定光路方向時造成的誤差. (4)實驗時入射角不宜過小,否則會使測量誤差過大,也不宜過大,否則在bb′一側將看不到P1、P2的像. 命題點一 教材原型實驗 例1 如圖4所示,某同學用插針法測定一半圓形玻璃磚的折射率.在平鋪的白紙上垂直紙面插大頭針P1、P2確定入射光線,并讓入射光線過圓心O,在玻璃磚(圖中實線部分)另一側垂直紙面插大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像,連接OP3,圖中MN為分界線,虛線半圓與玻璃磚對稱,B、C分別是入射光線、折射光線與圓的交點,AB、CD均垂直于法線并分別交法線于A、D點. 圖4 (1)設AB的長度為l1,AO的長度為l2,CD的長度為l3,DO的長度為l4,為較方便地表示出玻璃磚的折射率,需用刻度尺測量________,則玻璃磚的折射率可表示為________. (2)該同學在插大頭針P3前不小心將玻璃磚以O為圓心順時針轉過一小角度,由此測得玻璃磚的折射率將________(選填“偏大”“偏小”或“不變”). 答案 (1)l1和l3 (2)偏大 解析 (1)sini=,sinr=,因此玻璃磚的折射率n===,因此只需測量l1和l3即可. (2)玻璃磚順時針轉過一個小角度,在處理數(shù)據(jù)時,認為l1是不變的,即入射角不變,而l3減小,所以測量值n=將偏大. 變式1 某同學利用“插針法”測定玻璃的折射率,所用的玻璃磚兩面平行.正確操作后,作出的光路圖及測出的相關角度如圖5所示. 圖5 (1)此玻璃的折射率計算式為n=________(用圖中的θ1、θ2表示). (2)如果有幾塊寬度大小不同的平行玻璃磚可供選擇,為了減小誤差,應選用寬度________(填“大”或“小”)的玻璃磚來測量. 答案 (1) (2)大 解析 (1)光線由空氣射入玻璃的入射角i=90-θ1,折射角r=90-θ2,由折射率的定義可得:n===.(2)根據(jù)平行玻璃磚對光線的影響可知,玻璃磚寬度越大,側移量越大,折射角的測量誤差越小. 變式2 在用插針法測定玻璃磚的折射率的實驗中,甲、乙、丙三位同學在紙上畫出的界面aa′、bb′與玻璃磚位置的關系分別如圖6①、②和③所示,其中甲、丙兩同學用的是矩形玻璃磚,乙同學用的是梯形玻璃磚.他們的其他操作均正確,且均以aa′、bb′為界面畫光路圖. 圖6 (1)甲同學測得的折射率與真實值相比________(填“偏大”“偏小”或“不變”). (2)乙同學測得的折射率與真實值相比________(填“偏大”“偏小”或“不變”). (3)丙同學測得的折射率與真實值相比________. 答案 (1)偏小 (2)不變 (3)可能偏大、可能偏小、可能不變 解析 (1)用題圖①測定折射率時,測出的折射角偏大,折射率偏??;(2)用題圖②測定折射率時,只要操作正確,則測得的折射率與真實值相同;(3)用題圖③測定折射率時,無法確定折射光線偏折角與真實值的大小關系,所以測得的折射率可能偏大、可能偏小、可能不變. 變式3 (2018河南省鄭州市第三次質量預測)某同學利用“插針法”測定平行玻璃磚的折射率,在坐標紙上記錄的情況如圖7所示,虛線為以入射點O為圓心作出的圓,由此計算出玻璃磚的折射率為________,光在玻璃中的傳播速度為________m/s.(光在真空中的傳播速度為c=3.0108 m/s.結果均保留兩位有效數(shù)字) 圖7 答案 1.5 2.0108 解析 玻璃磚的折射率為n=====1.5 光在玻璃中的傳播速度v==m/s=2.0108 m/s. 命題點二 實驗拓展與創(chuàng)新 例2 某同學測量玻璃磚的折射率,準備了下列器材:激光筆、直尺、刻度尺、一面鍍有反射膜的平行玻璃磚.如圖8所示,直尺與玻璃磚平行放置,激光筆發(fā)出的一束激光從直尺上O點射向玻璃磚表面,在直尺上觀察到A、B兩個光點,讀出OA間的距離為20.00cm,AB間的距離為6.00cm,測得圖中直尺到玻璃磚上表面距離d1=10.00cm,玻璃磚厚度d2=4.00cm.玻璃的折射率n=________,光在玻璃中傳播速度v=________m/s(光在真空中傳播速度c=3.0108 m/s,結果均保留兩位有效數(shù)字). 圖8 答案 1.2 2.5108 解析 作出光路圖如圖所示,根據(jù)幾何知識可得入射角i=45,設折射角為r,則tanr=,故折射率n=≈1.2,故v==2.5108m/s. 變式4 某同學用大頭針、三角板、量角器等器材測半圓形玻璃磚的折射率.開始玻璃磚的位置如圖9中實線所示,使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上,該直線垂直于玻璃磚的直徑邊,然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉動,同時在玻璃磚的直徑邊一側觀察P1、P2的像,且P2的像擋住P1的像.如此觀察,當玻璃磚轉到圖中虛線位置時,上述現(xiàn)象恰好消失.此時只需測量出__________,即可計算出玻璃磚的折射率.請用你測量的量表示出折射率n=________. 圖9 答案 玻璃磚直徑邊繞O點轉過的角度θ 解析 玻璃磚轉動時,射在其直徑所在平面內的光線的入射角增大,當增大到等于臨界角C時,發(fā)生全反射現(xiàn)象.因sinC=,可見只要測出臨界角即可求得折射率n,而C和玻璃磚直徑繞O點轉過的角度θ相等,因此只要測出玻璃磚直徑邊繞O點轉過的角度θ即可.- 配套講稿:
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