人教版高中物理选修3-4第四章第2节《学生实验：测定玻璃的折射率》教案

实验测定玻璃的折射率教案
学科：高中物理
教师：
单位：
实验：测定玻璃的折射率
教学目标
1、通过分析回到实验前的七个问题，理解测定玻璃的折射率的原理，并培养学生的实验设计能力
2、通过学会测定玻璃砖在折射率，培养学生的动手实验能力。

重点难点
重点：测定玻璃折射率的原理与方法 难点：如何准确的确定折射光线的传播方向 设计思想
学生在上一节课已经学习了光的折射定律，本节课通过让学生亲自动手设计实验来测定玻璃的折射率，可以深化学生对折射定律的理解和认识，同时也进一步培养了学生的创新思维，提高了学生分析问题、解决问题的能力。

教学资源 多媒体课件；实验器材：一块两面平行的玻璃砖，白纸，木板，大头针（4枚），量角器（或圆规、三角板），刻度尺 教学设计 【课堂引入】
问题：如何通过实验来测定介质的折射率？
今天这节课我们一起来测定玻璃的折射率。

【课堂学习】
学习活动一：试验操作前的思考
问题1：所学的知识中，能够用于计算折射率的知识有哪些？
它们分别是定义式 决定式 全反射临界角计算式
问题2：实验室内若要测定玻璃砖的折射率，应该选用哪个表达式？为什么？ 应该选定义式。

因为光速太大，在实验室内不便于测量。

光线在经过长方形在玻璃砖时，
不会发生全反射现象。

问题3：如何能够在自然光的条件下获得“一条”入射光线和折射光线？ 并且确定它的方向？
利用光的直线传播原理，如果几个物体在同一条光线上，逆着光的传播方向看去后一个物体会挡住前一个物体发出的光线，例如平时做广播操时，把队伍排成一条直线。

如下图，利用平行玻璃砖对光路的侧移，用插针法找出入射光线AO 对应的出射光线O ′B,从而确定出射点Ｏ′那么ＯＯ′就是折射光线。

问题4：本试验的实验原理是什么？
如图所示，要确定通过玻璃的折射光线，是通过插针法找出跟入射光线OA 对应的出射光线O′B ，就能求出折射光线OO′和折射角r.再根据折射定律就可计算出玻璃的折射率
r i n sin sin =v c n =c
n sin 1=
n=sini sinr
问题5：需要用到哪些实验器材？
长方体型玻璃砖；白纸；木板；大头钉；图钉；三角板；量角器；铅笔
问题6：如何安排实验步骤？
------先让学生在小组内自己讨论，拟定实验步骤。

再通过微课短片来学习下面在实验步骤。

------（1）把白纸用图钉钉在木板上.
（2）在白纸上画一条直线aa′作为界面，画一条线段AO作为入射光线，并过O点画出界面aa′的法线NN′.
（3）把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边跟aa′对齐，并画出玻璃砖的另一个长边bb′.
（4）在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2.
（5）在玻璃砖的bb′一侧竖直地插上大头针P3时，用眼睛观察调整视线要使P3能同时挡住P1和P2的像.
（6）同样地在玻璃砖的bb′一侧再竖直地插上大头针P4时，使P4能挡住P3本身和P1、P2的像.
（7）记下P3，P4的位置，移去玻璃砖和大头针，过P3、P4引直线O′B与bb′交于O′点，连结OO′，OO′就是玻璃砖内的折射光线的方向.入射角i=∠AON，折射角r=∠O′ON′.
（8）用量角器量出入射角i和折射角r的度数
（9）从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值，记入自己设计的表格里.
（10）用上面的方法分别求出入射角是15°、30°、45°、60°和75°时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值，把这些数据也记在表格里.
（11）算出不同入射角时sini
sinr
的值.比较一下，看它们是否接近一个常数，求出几次实验
中测的sini
sinr
的平均值，就是玻璃的折射率.
问题7：实验中有哪些值得注意的事项？
1.插针P1与P2,P3与P4的间距要适当地大些,不要靠得太近,选择玻璃砖时其宽度宜大些,这样可减小确定光路方向时出现的误差,提高测量的准确度.另外,插针要竖直.
2.入射角不能太小(接近零度),也不能太大(接近90°),最好选在30°到60°之间,因为入射角太小时,折射角就更小,测量的相对误差增大,而入射角太大时,导致反射光太强,折射光太弱,不易观察,很难确定P3,P4的位置.
3.如果插针P 1,P 2的入射光线的折射光线射向玻璃砖右侧,且入射角又大于某一数值,会出现隔着玻璃砖沿P 2,P 1的方向观察不到P 1,P 2两插针的情况,此时的光路图如图所示,遇到这种情况,可将玻璃砖沿aa′界面向右平移.
学习活动二：动手操作实验，测定长方形玻璃砖在折射率。

学习活动三：试验后的再思考
问题1：数据处理还可以有其它方法吗？
此实验是通过测量入射角和折射角,然后查数学用表,找出入射角和折射角的正弦值,再代入n=
1
2
sin sin θθ中求出玻璃的折射率.除运用此法之外,还可运用以下处理数据的方法.
(1)单位圆法:在找到入射光线和折射光线以后,以入射点O 为圆点,以任意长为半径画图,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,交NN′于C′,D′,用直尺量出CC′和DD′的长,如图所示,由于sinα=
CC CO ',sinβ=DD DO ',而CO=DO,所以折射率n=sin sin α
β
=CC DD ''. 重复以上实验,求得各次折射率计算值,然后求出平均值即为玻璃砖折射率的测量值. (2)图象法:根据折射定律可得:n=1
2
sin sin θθ. 因此有：sinθ2=
1
n
sinθ1. 可利用sinθ2-sinθ1图象处理数据：
如图所示，可得到一条过原点的直线，求解图线的斜率，设斜率为k,则k=1
n
，故玻璃的折射率n=
1k
.
问题2：本实验的误差来源可能有哪些？
（1）插针时P 3、P 4位置不准确，造成光路确定不准确. （2）在确定bb′时，玻璃砖发生移动.
（3）测入射角、折射角时存在偶然误差.为了尽量减小实验误差，在插针时透过玻璃砖观察大头针P 1、P 2的像，调整视线方向，直到P 2挡住P 1的像.再在观察的这一侧插两枚大头针P 3、P 4，使P 3挡住P 1、P 2的像，P 4挡住P 3及P 1、P 2的像，记下P 3、P 4的位置.
课堂练习：在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面aa ′、bb ′与玻璃砖位置的关系分别如图，①、②和③所示,其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖,乙同学用的是梯形玻璃砖.他们的其他操作均正确,且均以aa ′、bb ′为界面画光路图.
则甲.乙.丙三位同学测得的折射率与真实值相比分别为 、 、 (填“偏大”“偏小”或“不变”)
解析：（1）如左图所示利用插针法确定的入射角不受影响，但测得的折射角比真实值偏小，所以测得的折射率偏大.
（2）如图右所示，乙同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小. 答案：偏小，不变，三种皆有可能
学习活动四：测定非长方形玻璃砖的折射率
问题1：如果我们没有长方形玻璃砖，还能完成本实验吗？
如果没有两面平行的玻璃砖使用三棱镜,半圆形玻璃砖等,也能测出这些形状玻璃的折射率.仍然采用插针法,以三棱镜为例,可以按如图所示确定入射光线AO,出射光线O′B,则OO′为折射光线,用量角器量出θ1,θ2,即可求出折射率n=
1
2
sin sin θθ.
【课堂小结】
问题1：实验原理和步骤是什么？
问题2：本实验的误差来源可能有哪些？
问题3：如何测定非长方形玻璃砖的折射率？
【板书设计】
测定玻璃的折射率
一、实验原理：折射定律
二、实验步骤
三、数据处理的方法
四、误差分析
课堂反馈
1.测定玻璃的折射率时，为了减小实验误差，应该注意的是( )
A．玻璃砖的宽度宜大些
B．入射角应尽量小些
C．大头针应垂直地插在纸面上
D．大头针P1、P2及P3、P4之间的距离应适当大些
2.某同学做测定玻璃折射率实验时,用他测得的多组入射角θ1
与折射角θ2作出sinθ1-sinθ2图象如图所示.下列判断中哪些是正确的( )
A．他做实验时，研究的是光线从空气射入玻璃的折射现象
B．玻璃的折射率为0.67
C．玻璃的折射率为1.5
D．玻璃临界角的正弦值为0.67
3.在测定玻璃的折射率实验中，所用玻璃砖的两表面aa′和
bb′不平行，如图所示，所测得的折射率将( )
A．偏大B．偏小
C．不变D．无法确定
4.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，
(1)在下图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3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两枚大头针，其对应出射
光线上的两枚大头针是P3和________(填“A”或“B”)
参考答案：
1、ACD
2、ACD
3、C
4、（1）略（2）1.51 （3）A
课后测评
1.如图所示，用底面是半圆形的玻璃砖做测定玻璃折射率
的实验.在白纸上画直角坐标系xOy,玻璃砖M放在白纸上，其
底面的圆心在O点，直边与x轴重合.OA是画在纸上的直线，
P3能挡住P1、P2的像，α是直线OA与y轴正方向的夹角，β
是直线OP3与y轴负方向的夹角.测出角α和β，便可求得玻
璃的折射率.已知该玻璃砖的折射率在1.5～1.8之间，以下操
作正确的是( )
A.让α=30°
B.让α=60°
C.让α=75°
D.使P1、P2间的距离适当大一些
2.在做“测定玻璃的折射率”的实验时，某同学为了避免笔尖接触玻璃砖表面，画出的两条直线a′b′和c′d′都比玻璃砖的实验侧面向外平移了一些（如图所示），其他操作都正确，画出光路图时他也以a′b′和c′d′直线为标准找出两个交点O、O′，连成折射光线OO′以后再进行测量和计算，他测出的玻璃折射率n值将_____________.
3.如图所示是一透明的圆柱体，其半径为R.现要测其折射率，某同学利用玩具激光器等器材，仅用量角器测量入射角，就计算出了它的折
射率.他的主要实验步骤如下，请将操作步骤C补充完整，并在图中作出光路图，写出折射率的表达式.
A.用圆规在白纸上画半径为R的圆，并画出一条直径AB；
B.透明的圆柱体放在白纸上，使其边缘与半径为R的圆重合；
C.让激光束平行AB射向圆柱体，调整入射光线的入射点，使____________；
D.记下入射点，画出入射角；
E.用量角器测量入射角α，则折射率的表达式为_____________.
4.学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器.如图所示，在一个圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直线BC、EF.在半径OA 上，垂直盘面插上两枚大头针P1、P2，并保持位置不变.每次测量时让盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，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BC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∠AOF=30°,OP3与OC的夹角为30°,则P3处所刻折射率的值为___________．
(2)图中P3､P4两位置哪一处所对应折射率值大?
_________________.
(3)作AO的延长线交圆周于K,K处对应的折射率值应为_____________.
参考答案：
1、AD
2、偏小
3、折射光线过B点光路图如下图所示n=
sin sin/2
α
α
4、(1)1.73 (2)P4(3)1。