【物理】2018届一轮复习人教版测定玻璃的折射率学案

【物理】2018届一轮复习人教版测定玻璃的折射率学案

第79课时　测定玻璃的折射率(实验提能课)‎ 一、实验目的 ‎1．测定玻璃的折射率。‎ ‎2．学会用插针法确定光路。‎ 二、实验原理 如图所示，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＝算出玻璃的折射率。‎ 三、实验器材 玻璃砖、白纸、木板、大头针、图钉、量角器(或圆规)、三角板、铅笔。‎ 四、实验步骤 ‎1．如图所示，把白纸铺在木板上。‎ ‎ 2.在白纸上画一直线aa′作为界面，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线。‎ ‎3．把长方形玻璃砖放在白纸上，并使其长边与aa′重合，再用直尺画出玻璃砖的另一边bb′。‎ ‎4．在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2。‎ ‎5．从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线的方向直到P1的像被P2的像挡住。再在bb′一侧插上两枚大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P3本身及P1、P2的像。‎ ‎6．移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置，过P3、P4作直线O′B交bb′于O′。连接O、O′， OO′就是玻璃砖内折射光线的方向。∠AON为入射角，∠O′ON′ 为折射角。‎ ‎7．改变入射角，重复实验。‎ 五、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sin θ1和sin θ2。算出不同入射角时的，并取平均值。‎ ‎2．作sin θ1 sin θ2图像 改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sin θ1sin θ2 图像，由n＝可知图像应为直线，如图所示，其斜率为折射率。‎ ‎3．“单位圆法”确定sin θ1、sin θ2，计算折射率n 以入射点O为圆心，以一定长度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′。如图所示，sin θ1＝，sin θ2＝，OE＝OE′＝R，则 n＝＝。只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。‎ 六、误差分析 ‎1．入射光线、出射光线确定的准确性造成误差，故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些。‎ ‎2．入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当大些，以减小测量的相对误差。‎ 七、注意事项 ‎1．实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O、P3与O′之间距离要稍大一些。‎ ‎2．入射角θ1不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)。太大：反射光较强，出射光较弱；太小：入射角、折射角测量的相对误差较大。‎ ‎3．操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。‎ ‎4．实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。‎ ‎5．玻璃砖应选用宽度较大的，宜在‎5 cm以上，若宽度太小，则测量误差较大。‎ 考点(一)　实验原理和操作方法 ‎[例1]　某同学为了测量截面为正三角形的玻璃三棱镜的折射率，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的左侧插上两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的右侧观察到P1的像和P2的像，当P1的像恰好被P2的像挡住时，插上大头针P3和P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示。‎ ‎(1)在图上画出对应的光路。‎ ‎(2)为了测出三棱镜玻璃材料的折射率，若以AB为分界面，需要测量的量是________，在图上标出它们。‎ ‎(3)三棱镜玻璃材料折射率的计算公式是n＝________。‎ ‎(4)若在测量过程中，放置三棱镜的位置发生了微小的平移(移至图中的虚线位置，底边仍重合)，若仍以AB作为分界面，则三棱镜材料折射率的测量值________真实值(填“大于”、“小于”或“等于”)。‎ ‎[解析]　(1)光路图如图所示。‎ ‎(2)若以AB为分界面，需要测量的量为入射角θ1、折射角θ2。‎ ‎(3)该三棱镜玻璃折射率的计算公式为n＝。‎ ‎(4)若在测量过程中，放置三棱镜的位置发生了微小的平移，仍以AB为分界面，若将入射光线与AB的交点和折射光线与BC的交点连接起来，从而可知该连接线发生偏转，导致折射角变小，所以测量值比真实值大。‎ ‎[答案]　见解析 测量玻璃的折射率，无论是使用平行玻璃砖、三棱镜，还是圆柱形玻璃砖，测量方法和测量结果都相同。如果测量时玻璃砖发生了微小移动，则测量结果会出现偏差。‎ 考点(二)　用图像法求解折射率 ‎[例2]　用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1‎ 的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针 P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓，如图甲所示，其中O为两圆弧圆心，图中已画出经过P1、P2点的入射光线。‎ ‎(1)在图上补画出所需的光路。‎ ‎(2)为了测出玻璃的折射率，需要测量入射角和折射角，请在图中的AB分界面上画出这两个角。‎ ‎(3)用所测物理量计算折射率的公式为n＝____________。‎ ‎(4)为了保证在弧面CD得到出射光线，实验过程中，光线在弧面AB的入射角应适当____________(填“小一些”“无所谓”或“大一些”)。‎ ‎(5)多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出了如图乙所示的图像，由图像可知该玻璃的折射率n＝______________。‎ ‎[解析]　(1)连接P3、P4与CD交于一点，此交点即光线从玻璃砖中射出的位置，由于P1、P2的连线与AB的交点即光线进入玻璃砖的位置，连接两交点即可作出玻璃砖中的光路，如图所示。‎ ‎(2)连接O点与光线在AB上的入射点即法线，作出入射角和折射角如图中i、r所示。‎ ‎(3)由折射定律可得n＝。‎ ‎(4)为了保证能在弧面CD上有出射光线，实验过程中，光线在弧面AB上的入射角应适当小一些，才不会使光线在CD面上发生全反射。‎ ‎(5)图像的斜率k＝＝n，由题图乙可知斜率为1.5，即该玻璃的折射率为1.5。‎ ‎[答案]　(1)见解析图　(2)见解析图　(3) ‎(4)小一些　(5)1.5‎ 无论什么形状的玻璃砖，只要确定了光线从玻璃砖上的入射点和出射点，就能确定折射光线。利用图像法求解折射率可以减小实验误差。‎ ‎1．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，如图甲所示。‎ ‎(1)在图丙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＝________(保留三位有效数字)。‎ ‎(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，如图乙所示。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”)。‎ 解析：(1)如图a所示。‎ ‎(2)折射率n＝，sin i与sin r可利用图中的方格进行粗略的计算，或是利用直尺测量计算，sin i＝≈0.798，sin r＝≈0.521，则n＝＝≈1.53。‎ ‎(3)光路图如图b所示，光线经两边沿相互平行的玻璃砖， 出射光线平行于入射光线， 即MN∥P4B。P1P2光线从棱镜右边侧面射出向底边偏折，如图b中P‎3A，所以填A。‎ 答案：(1)见解析图a　(2)1.53(1.50～1.56均正确)　 (3)A ‎2.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所示。‎ ‎(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。‎ 解析：(1)据题意可知入射角为(90°－θ1)，折射角为(90°－θ2)，则玻璃的折射率为n＝＝ ‎(2)玻璃砖越宽，光线在玻璃砖内的传播方向越容易确定，测量结果越准确。故应选用宽度大的玻璃砖来测量。‎ 答案：(1)　(2)大 ‎3．(2017·济南质检)某同学测量玻璃砖的折射率，准备了下列器材：激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有反射膜的平行玻璃砖。如图所示，直尺与玻璃砖平行放置，激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖表面，在直尺上观察到A、B两个光点，读出OA间的距离为‎20.00 cm，AB间的距离为‎6.00 cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离d1＝‎10.00 cm，玻璃砖厚度d2＝‎4.00 cm。玻璃的折射率n＝________，光在玻璃中传播速度v＝________ m/s(光在真空中传播速度c＝3.0×‎108 m/s，结果保留两位有效数字)。‎ 解析：作出光路图如图所示，根据几何知识可得入射角i＝45°，折射角r＝37°，故折射率n＝≈1.2，故v＝＝2.5×‎108 m/s。‎ 答案：1.2　2.5×108‎ ‎4．如图所示是利用插针法测定玻璃砖的折射率的实验得到的光路图。玻璃砖的入射面AB和出射面CD并不平行，则 ‎(1)出射光线与入射光线________(选填“仍平行”或“不再平行”)。‎ ‎(2)以入射点O为圆心，以R＝‎5 cm长度为半径画圆，与入射光线PO交于M点，与折射光线OQ交于F点，过M、F点分别向法线作垂线，量得MN＝‎1.68 cm，EF＝‎1.12 cm，则该玻璃砖的折射率n＝________。‎ 解析：(1)由于玻璃砖的入射面AB和出射面CD并不平行，所以出射光线与入射光线不再平行。‎ ‎(2)该玻璃砖的折射率 n＝＝＝＝＝1.5。‎ 答案：(1)不再平行　(2)1.5‎