1、第2课时 实验：测定玻璃的折射率 第四章 光 实验目标 1.知道测量玻璃的折射率的原理、方法和步骤。2.会确定入射光线、折射光线、入射角及折射角。3.学会用不同方法计算玻璃的折射率。技能储备明原理 NO.1一、实验设计 1实验方案如图所示，当光以一定的入射角透过一块两面平行的玻璃砖时，只要找出与入射光线 AO 相对应的出射光线 OB 即可。2实验原理用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测入射角 1 和折射角 2，根据折射定律计算出玻璃的折射率 nsin 1sin 2。3实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔。二、实验步骤1如图所示
2、，将白纸用图钉钉在平木板上。2在白纸上画出一条直线 aa作为界面(线)。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，使它的长边跟 aa对齐，画出玻璃砖的另一边 bb。4在直线 AO 上竖直插上两枚大头针 P1、P2，透过玻璃砖观察大头针 P1、P2 的像，调整视线方向直到 P2 的像挡住 P1 的像。再在观察者一侧竖直插上两枚大头针 P3、P4，使 P3 挡住 P1、P2 的像，P4挡住 P3 及 P1、P2 的像，记下 P3、P4 的位置。5移去大头针和玻璃砖，过 P3、P4 所在处作直线 OB 与 bb交于 O，直线 OB 就代表
3、了沿 AO 方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。6连接 OO入射角 1AON，折射角 2OON，用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中。7用上述方法求出入射角分别为 30、45、60时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中。8算出不同入射角时的比值sin 1sin 2，最后求出在几次实验中所测sin 1sin 2的平均值，即为玻璃砖的折射率。三、数据处理处理方式一：在找到入射光线和折射光线以后，以入射点 O 为圆心，以任意长为半径画圆，分别与 AO 交于 C 点，与 OO(或 OO的延长线)交于 D 点，过 C、D 两点分别向 NN作垂线
4、，交 NN于C、D，用直尺量出 CC和 DD的长，如图甲所示。甲 乙由于 sin 1CCCO，sin 2DDDO，而 CODO，所以折射率 nsin 1sin 2CCDD。重复以上实验，求得各次折射率的计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值。处理方式二：根据折射定律可得 nsin 1sin 2因此有 sin 21nsin 1。在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以 sin 1 值为横坐标、以 sin 2 值为纵坐标，建立直角坐标系如图乙所示，描数据点，过数据点连线得到一条过原点的直线。求解图线斜率，设斜率为 k，则 k1n，故玻璃砖折射率 n1k。四、注意事项1实
5、验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。2入射角 1 应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大。3在操作时，手不能触摸玻璃砖的光学面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。4在实验过程中，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。五、实验误差1入射光线和出射光线确定的不够精确。因此要求插大头针时两大头针间距应稍大。2入射角、折射角测量的不精确。为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱。实验强化提素养 NO.2类型一 类型二
6、 类型三 类型一 实验原理与操作【典例 1】如图 1 所示，某同学在“测量玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面 aa和 bb。O 为直线 AO 与 aa的交点。在直线 OA 上竖直地插上 P1、P2 两枚大头针。图 1 图 2 图 3(1)该同学接下来要完成的必要步骤有_。A插上大头针 P3，使 P3 仅挡住 P2 的像B插上大头针 P3，使 P3 挡住 P1 的像和 P2 的像C插上大头针 P4，使 P4 仅挡住 P3D插上大头针 P4，使 P4 挡住 P3 和 P1、P2 的像(2)过 P3、P4 作直线交 bb于 O，
7、过 O作垂直于 bb的直线NN，连接 OO。测量图中角 和 的大小，则玻璃砖的折射率 n_。(3)如图 2 所示，该同学在实验中将玻璃砖界面 aa和 bb的间距画得过宽。若其他操作正确，则折射率的测量值_准确值(选填“大于”“小于”或“等于”)。(4)该同学准确的画好玻璃砖界面 aa和 bb后，实验过程中不慎将玻璃砖向下平移了一些。如图 3 所示，若其他操作正确，则折射率的测量值_准确值(选填“大于”“小于”或“等于”)。解析(1)该同学接下来要完成的必要步骤有：确定 P3 大头针的位置，方法是插上大头针 P3，使 P3 能挡住 P1、P2 的像。确定 P4大头针的位置，方法是大头针 P4 能
8、挡住 P3 和 P1、P2 的像。故该同学接下来要完成的必要步骤有 B、D。(2)根据折射定律得：玻璃砖的折射率为 nsin sin。(3)将玻璃砖界面 aa和 bb的间距画得过宽但仍平行，而其他操作正确，导致 角偏大，由于 nsin sin，故折射率的测量值将偏小。(4)如图所示，实线表示将玻璃砖向下平移后实际的光路图，而虚线是作图时所采用的光路图，通过比较发现，入射角和折射角没有变化，则由折射定律得知，该同学测得的折射率将不变。答案(1)BD(2)sin sin (3)小于(4)等于类型二 数据处理与分析【典例 2】如图所示，某同学用插针法测量一半圆形玻璃砖的折射率。在平铺的白纸上垂直于纸
9、面插大头针 P1、P2 确定入射光线，并让入射光线过圆心 O，在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针 P3，使 P3 挡住 P1、P2 的像，连接 OP3，图中 MN 为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C 分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD 均垂直于法线并分别交法线于 A、D 点。(1)设 AB 的长度为 l1，AO 的长度为 l2，CD 的长度为 l3，DO 的长度为 l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量_，则玻璃砖的折射率可表示为_。(2)该同学在插大头针 P3前不小心将玻璃砖以 O 为圆心顺时针转过一小角度，由此测得玻璃砖的折射率将 _(选填“偏大”
10、“偏小”或“不变”)。解析(1)sin i l1BO，sin r l3CO，因此玻璃的折射率 nsin isin rl1BOl3COl1l3，因此只需测量 l1 和 l3 即可。(2)当玻璃砖顺时针转过一个小角度时，在处理数据时，认为 l1是不变的，即入射角不变，而 l3 减小，所以测量值 nl1l3将偏大。答案(1)l1 和 l3 nl1l3(2)偏大类型三 创新实验设计【典例 3】某同学设计了一个测量液体折射率的仪器，如图所示。在一个圆形木盘上过其圆心 O 作两条相互垂直的直径 BC、EF，在半径 OA 上垂直圆盘面插下两枚大头针 P1、P2 并保持 P1、P2 的位置不变，每次测量时，让
11、圆盘的 BFC 部分竖直浸入液体中，而且使液面与直径BC 相平，EF 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。(1)若AOF30，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值大？_。(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_。解析(1)此时 OP3 与 OE 之间的夹角为入射角，160，230，
12、则 nsin 1sin 2sin 60sin 30 3。(2)P4 对应的入射角大，折射角相同，所以对应的折射率大。(3)当在 K 位置时，入射角与折射角相等，所以折射率等于 1。答案(1)3(2)P4(3)1实验达标固双基 NO.31 2 3 4 1如图甲、乙所示，在“用插针法测定玻璃的折射率”的实验中，当光线 AO 以一定入射角穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线 AO 对应的出射光线 OB，从而确定折射光线 OO。甲 乙1 2 3 4(1)如图甲，测出入射角 i 和折射角 r，则玻璃的折射率 n_。(2)如图乙，以 O 为圆心，作圆与 OA、OO分别交于 P、Q 两点，过 P
13、、Q 两点分别作法线 NN的垂线，垂足分别为 P、Q，则玻璃的折射率可以表示为 n_。1 2 3 4 解析(1)根据折射定律得 nsin isin r。(2)因为 sin iPPR，sin rQQR，所以 nsin isin rPPQQ。答案(1)sin isin r(2)PPQQ1 2 3 4 2在“测定玻璃的折射率”的实验中，(1)小朱同学在实验桌上看到方木板上有一张白纸，白纸上有如图甲所示的实验器材，他认为除了缺刻度尺还少了一种器材，请你写出所缺器材的名称：_。老师将器材配齐后，他进行实验，图乙是他在操作过程中的一个状态，请你指出第四枚大头针应在图乙中的位置_(选填“A”“B”或“C”)
14、。1 2 3 4 甲 乙1 2 3 4(2)小朱利用方格坐标纸测定玻璃的折射率，如图丙所示，AO 是画在纸上的直线，他在直线 AO 适当位置竖直插上 P1、P2 两枚大头针，放上半圆形玻璃砖，使其圆心与 O 重合，然后插上 P3、P4 两枚大头针，以确定折射光线。其中他确定 P3 大头针位置的方法应当是_。操作完成后，他用圆规作了一个以 O 为圆心、半径与玻璃砖半径相同的半圆(如图丙中虚线所示)，则他测出玻璃砖的折射率n_。1 2 3 4 丙1 2 3 4 解析(1)还缺少大头针；依据光的折射定律，及玻璃砖上下表面平行，那么出射光线与入射光线相互平行，因此第四枚大头针应在图乙中的位置 B处，如
15、图所示：答案(1)大头针 B(2)挡住 P1、P2 的像 1.51 2 3 4(2)透过玻璃砖看，P3 大头针挡住 P1、P2 两枚大头针的像；如图所示，作出法线，过圆与入射光线与折射光线的交点作法线的垂线 CA 和 DB，由数学知识得：入射角和折射角的正弦值分别为：sin iCACO，sin rBDDO 其中 CODO，则折射率 nsin rsin iBDCA641.5。1 2 3 4 3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，在棱镜的一侧插上两枚大头针 P1 和 P2，然后在棱镜的另一侧观察，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
16、像，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所示。1 2 3 4(1)在图中画出所需的光路；(2)为了测出玻璃棱镜的折射率，需要测量的量是_、_，在图中标出它们。(3)计算折射率的公式是 n_。1 2 3 4 解析(1)如图所示，过 P1、P2 作直线交 AB于 O，过 P3、P4 作直线交 AC 于 O，连接 OO，OO就是光在棱镜中的光路。(2)如图所示，需要测量入射角 i、折射角 r。(3)由折射定律有 nsin isin r。答案(1)见解析图(2)入射角 i 折射角 r 见解析图(3)sin isin r1 2 3 4 4用圆弧状玻璃砖做测量玻璃
17、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 为两圆弧所在圆的圆心，图中已画出经过 P1、P2 点的入射光线。1 2 3 4(1)在图上补画出完整的光路。(2)为了测出玻璃砖的折射率，需要测量入射角 i 和折射角 r，请在图中的AB 分界面两侧画出这两个角。(3)多次改变入射角，测得几组入射
18、角和折射角，根据测得的入射角 i 和折射角 r 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_。1 2 3 4 甲 乙1 2 3 4 解析(1)P3、P4 的连线与CD 的交点即为光线从玻璃砖中射出的位置，P1、P2 的连线与AB 的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接这两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 上的入射点所得直线即为法线，标出入射角和折射角如图中 i、r 所示。1 2 3 4(3)图乙中图线的斜率 ksin isin rn，由图乙可知斜率为 1.5，即该玻璃的折射率为 1.5。答案(1)(2)见解析图(3)1.5谢谢观看 THANK YOU!
