【K12教育学习资料】2019年高考物理总复习第59讲实验十二测定玻璃的折射率讲义

第59讲实验十二测定玻璃的折射率实验储备一、实验目的1．理解用插针法测定玻璃折射率的原理．2．学会测定玻璃的折射率的实验方法．二、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．三、实验原理用插针法确定光路，找出跟入射线相对应的折射线；用量角器测出入射角i和折射角r；根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝sin isinγ.四、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′，如图所示；3．把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个边跟aa′对齐，并画出玻璃砖的另一个边bb′；4．在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1和P2；5．在玻璃砖的bb′一侧竖直地插上大头针P3，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，使P4能挡住P3本身和P1和P2的像；7．记下P3和P4的位置，移去玻璃砖和大头针，过P3和P4作直线O′B与bb′交于O′，连接OO′，OO′就是玻璃砖内的折射光线，入射角i＝∠NOA，折射角r＝∠O′ON′；8．用量角器量出入射角和折射角的度数；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30°、45°、60°时的折射角，查出入射角i＝∠NOA 和折射角r＝∠O′ON′的正弦值；11．算出不同入射角时sin isinγ的值比较一下，看它们是否接近一个常数，求出几次实验中所测sin i sin γ的平均值，这就是玻璃砖的折射率． 五、数据处理数据处理的另一种方法：如图所示，以O 1为圆心以任意长为半径(半径要尽可能长些约10 cm )画圆交入射光线AO 1于M 点、交折射光线O 1O 于P 点，过M 、P 作NN′的垂线MK 、PQ ，则n ＝MK PQ，据此可知，用刻度尺测出MK 、QP 的长度，即可求出折射率n. 六、误差分析误差的主要来源：1．确定入射光线、出射光线时的误差．故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距离宜大点．2．测量入射角与折射角时的误差．故入射角不宜过小，但入射角也不宜过大，过大则反射光较强，出射光较弱．七、注意事项1．玻璃砖要厚，用手拿玻璃砖时，只能接触玻璃毛面或棱，严禁用玻璃砖当尺子画界面；2．入射角应在30°到60°之间；3．大头针要竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针P 1与P 2间、P 3与P 4间的距离应尽量大一些，以减小确定光路方向时造成的误差；4．玻璃砖的折射面要画准；5．由于要多次改变入射角重复实验，所以入射光线与出射光线要一一对应编号以免混乱．技能优化释难答疑的金钥匙【典型例题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)在图中画出完整的光路图；甲乙(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2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和______(选填“A”或“B”)．【典型例题2】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．在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上，垂直盘面插下两枚大头针P1、P2并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使得与直径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，则：(1)若∠AOF＝30°，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、P4两位置中______(选填“P3”或“P4”)处所对应的折射率大．(3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率值应为________．(4)若保持∠AOF＝30°不变，用该装置能测量的最大折射率的值不超过________．【典型例题3】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ab、cd与玻璃砖位置的关系分别如图①、②和③所示，其中甲、丙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ab、cd为界面画光路图．则甲同学测得的折射率与真实值相比________(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)，乙同学测得的折射率与真实值相比________(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)，丙同学测得的折射率与真实值相比________．当堂检测 1.如图所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率．在平铺的白纸上垂直纸面插大头针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为分界线，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．第1题图(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”、“偏小”或“不变”)．2．某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率，如图所示．实验的主要过程如下：第2题图A．把白纸用图钉钉在木板上，在白纸上作出直角坐标系xOy，在白纸上画一条线段AO 表示入射光线．B．把半圆形玻璃砖M放在白纸上，使其底边aa′与Ox轴重合．C．用一束平行于纸面的激光从y＞0区域沿y轴负方向射向玻璃砖，并沿x轴方向调整玻璃砖的位置，使这束激光从玻璃砖底面射出后，仍沿y轴负方向传播．D．在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2.E．在坐标系y＜0的区域内竖直地插上大头针P3，并使得从P3一侧向玻璃砖方向看去，P3能同时挡住P1和P2的像．F．移开玻璃砖，连接O、P3，用圆规以O点为圆心画一个圆(如图中虚线所示)，此圆与AO线交点为B，与OP3线的交点为C.确定出B点到x轴、y轴的距离分别为x1、y1，C点到x 轴、y轴的距离分别为x2、y2.(1)若实验中该同学没有将玻璃砖的底边aa′与Ox轴重合，而是向y＞0方向侧移了一些，这将导致所测的玻璃折射率与其真实值相比________．(选填“偏大”、“不变”或“偏小”)(2)若实验中该同学在y＜0的区域内，从任何角度都无法透过玻璃砖看到P1、P2，为能透过玻璃砖看到P1、P2，应采取的措施是：________________________________________________________________________.3．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＝3.0×108m/s，结果均保留两位有效数字)．第3题图第59讲 实验十二： 测定玻璃的折射率技能优化·典型例题1· (1)如图所示 (2)1.51(±0.03均可) (3)A 【解析】 (1)完整的光路图如图所示．(2)用量角器测出入射角i 与折射角r ，根据折射率n ＝sin i sin r得出结果；或者利用坐标纸结合入射角和折射角画两个直角三角形，然后用刻度尺测出所对应的直角边和斜边的长度，进一步计算出正弦值，再代入折射率公式即可．(3)由题图乙可知，光线P 1P 2入射到玻璃砖上时，相当于光线射到了一个三棱镜上，因此出射光线将向底边偏折，所以出射光线过P 3和B .P 3和A 的连线与玻璃砖没交点．·典型例题2·(1) 3 (2)P 4 (3)1 (4)2【解析】 (1)OP 3与OC 的夹角为30°，则入射角为60°，根据折射率定律n ＝sin αsin β＝3；(2)P 4位置的入射角大，在折射角一定的情况下，故折射率就大．(3)入射角和折射角相等，则折射率为1.(4)当发生全反射时，为所能测量最大折射率，故为2.·典型例题3·(1)偏小 (2)不变 (3)偏小【解析】 如图①测定折射率时，折射角增大，则折射率减小；用图②测折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关；用图③测折射率时，折射角偏大，所以测得的折射率变小．当堂检测1．(1)l 1和l 3 n ＝l 1l 3 (2)偏大 【解析】 (1)sin θ1＝l 1BO ，sin θ2＝l 3BO，因此玻璃的折射率n ＝sin θ1sin θ2＝l 1BO l 3BO＝l 1l 3，因此只需测量l 1和l 3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l 1是不变的，即入射角不变，而l 3减小，所以测量值n ＝l 1l 3将偏大．2．(1)偏大 (2)减小光线AO 的入射角【解析】 (1)折射率n ＝y 2y 1，玻璃砖的底边aa ′与Ox 轴未重合而向y ＞0方向侧移了一些，导致测量的y 2偏大，y 1偏小，所以玻璃的折射率的测量值与真实值相比偏大；(2)在y ＜0的区域内，从任何角度都无法透过玻璃砖看到P 1、P 2，说明光线AO 在界面aa ′上发生了全反射．应该减小光线AO 的入射角．3．1.2 2.5×108 【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 ＝sin i sin r ≈1.2，故v ＝c n ＝2.5×108 m/s.第3题图选修3－5。