高中物理选修3-4实验操作及试题

物理选修3-4实验实验1.测得玻璃的折射率【知识要点】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AO 1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AO 1对应的出射光线O 2B ，从而求出折射光线O 1O 2 和折射角θ2，再根据n ＝sin θ1sin θ2或 n ＝PN QN ′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P 1、P 2.5．从玻璃砖bb ′一侧透过玻璃砖观察大头针P 1、P 2的像，调整视线的方向直到P 1的像被P 2的像挡住．再在bb ′一侧插上两枚大头针P 3、P 4，使P 3能挡住P 1、P 2的像，P 4能挡住P 3本身及P 1、P 2的像．6．移去玻璃砖，在拔掉P 1、P 2、P 3、P 4的同时分别记下它们的位置，过P 3、P 4作直线O ′B 交bb ′于O ′.连接O 、O ′，OO ′就是玻璃砖折射光线的方向．∠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sin θ1sin θ2，并取平均值．2．作sin θ1－sin θ2图象：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sin θ1－sin θ2图象，由n ＝sin θ1sin θ2可知图象应为直线，如图实－13－3所示，其斜率为折射率． 图实－13－33．“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 ′.如图实－13－4所示，sin θ1＝EHOE，sin θ2 ＝E ′H ′OE ′，OE ＝OE ′＝R ，则n ＝sin θ1sin θ2＝EHE ′H ′.只要用刻度尺测出EH 、E ′H ′的长度就可以求出n .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． 七、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． 八、实验改进本实验可用半圆形玻璃砖代替长方形玻璃砖，做法如下：在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P 1、P 2，确定入射光线，并让入射光线过圆心O ，在玻璃砖另一侧垂直纸面 插大头针P 3，使P 3挡住P 1、P 2的像，连接OP 3，作光路图如图所示．则折射率n ＝sin θ1sin θ2＝ABOB CD OC＝ABCD.【考点突破】问题1.如图所示是上下两个面彼此平行的玻璃砖，两个面之间的距离为h 。

一束光线以入射角i 从上表面的O 点入射，从下表面的O ˊ点射出。

（1）证明入射玻璃砖的光线和出射的光线平行（2）证明侧移量随入射角的增大而增大。

（3）由图示可知能够确定入射角和折射角，因此可以测定玻璃的折射率，怎样确定入射光线？怎样确定折射光线？（插针法）（4）实验过程中，角度的测量会带来误差，实验时入射角度大一些好还是小一些好？（5）实验的过程中入射角和折射角不一定是特殊角，计算角度的正弦值有很大的难度。

你怎样解决这个问题？（6）只使用一次测量数据会给实验结果带来很大的误差，某位同学多次测量入射角α和折射角β，做出了如图所示的图像。

图像中斜率表示什么意思？(7)某同学用插针法测定玻璃砖的折射率，他的实验方法和操作步骤正确无误。

但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面aa’与bb’不平行，如图所示：则（ ）A ．P 1P 2与P 3P 4两条直线平行B ．P 1P 2与P 3P 4两条直线不平行C ．他测出的折射率偏大D ．他测出的折射率不受影响(8)在利用插针法测定玻璃砖折射率的实验中：①甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa’和bb’后，不自觉地碰了玻璃砖使它向aa’方向平移了少许，如图所示:则他测出的折射率值将_____(选填“偏大”、 “偏小”或“不变”)；②乙同学在画界面时，不自觉地将两界面aa’、bb’间距画得比玻璃砖宽度些，如图所示，则他测得折射率 (填“偏大”、“偏小”“不变”) .变式1.同学用圆柱形玻璃砖做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好圆柱形玻璃砖，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P 1和P 2，然后在圆柱形玻璃砖另一侧观察，调整视线使P 1的像被P 2的像挡住，接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P 3、P 4，使P 3挡住P 1、P 2的像，使P 4挡住P 3和P 1、P 2的像，在纸上标出的大头针位置和圆柱形玻璃砖的边界如图所示．（1）在图上画出所需的光路． （2）了测量出玻璃砖折射率，需要测量的物理量有 （要求在图上标出）． （3）写出计算折射率的公式n = .变式2.一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）.现要测定此玻璃的折射率，给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（1P 、2P 、3P 、4P ）、带有刻度的直角三角板、量角器.实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直.在纸上画出直线a a '和b b '，a a '表示镀银的玻璃表面，b b '表示另一表面，如图所示.然后，在白纸上竖直插上两枚大头针1P 、2P （位置如图）.用1P 、2P 的连线表示P 1P 2 P 3P 4a′b′i rA O BE NN ´入射光线.（1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针3P 、4P ？试在题图中标出3P 、4P 的位置.（2）然后，移去玻璃砖与大头针.试在题图过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角1θ 与折射角2θ.简要写出作图步骤.（3）写出用1θ、1θ表示的折射率公式=n .变式3.徐老师用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率。

开始玻璃砖的位置如图中实线所示，使大头针P 1、P 2与圆心O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O 缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察P 1、P 2的像，且P 2的像挡住P 1的像。

如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失。

此时只需测量出 ，即可计算出玻璃砖的折射率。

请用你的测量量表示出折射率 。

变式 4.学校开展研究性学习，某研究性学习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P 1、P 2并保持P 1、P 2的位置不变，每次测量时，让圆盘的BFC 部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC 相平，EF 为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P 1、P 2的像，并在圆周上插上大头针P 3，使P 3正好挡住P 1、P 2．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P 所插的位置，就可直接读出液体折射率的值．则（1）若︒=∠30AOF ，OP 3与OC 的夹角为︒30，则P 3处所对应的折射率的值为________． （2）图中P 3、P 4两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_________．变式 5.如图所示，置于空气中的一不透明容器盛满某种透明液体．容器底部靠近器壁处有一竖直放置的 6.0 cm 长的线光源．靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源．开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分．将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好可以看到线光源底端．再将线光源沿同一方向移动8.0 cm ，刚好可以看到其顶端．求此液体的折射率n .实验2. 用双缝干涉测光的波长θ P 1 P 2Oθ【知识要点】 一、实验目的1．了解光波产生稳定干涉现象的条件．2．观察双缝干涉图样．3．测定单色光的波长． 二、实验原理1．光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光经过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，我们通过光屏可以观察到明暗相间的干涉条纹．若用白光照射，通过两狭缝可以在光屏上观察到彩色条纹． 2.根据λ＝d lΔx 可以计算出单色光的波长．公式中d 为双缝间距离，Δx 为相邻两条亮纹间的距离，l 为双缝到屏之间的距离，实验中d 一般是已知的，所以测出l 、Δx 即可求出光的波长．Δx 的测量可用测量头完成，如图所示，测量头由分划板、目镜、手轮等构成．通过测量头可清晰看到干涉条纹，分划板上中心有刻线，以此作标准，并根据手轮的读数可求得Δx .由于Δx 较小，可测出n 条亮(或暗)条纹的间距a ，则相邻亮条纹间的距离Δx ＝an －1.三、实验器材双缝干涉仪(由光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头组成)，另外还有学生电源、导线、刻度尺． 四、实验步骤 1．观察干涉条纹(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上． (2)接好光源，打开开关，使灯丝正常发光．(3)调节各器件的高度，使光源发出的光能沿轴线到达光屏． (4)安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5 cm ～10 cm ，这时，可观察白光的干涉条纹． (5)在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹． 2．测定单色光的波长(1)安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．(2)使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a 1，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a 2，将该条纹记为第n 条亮纹． (3)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l (d 是已知的)． (4)重复测量． 五、数据处理 1．条纹间距Δx ＝|a 2－a 1n －1|. 2．波长λ＝dlΔx . 3．计算多组数据，求λ的平均值． 六、注意事项1．双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，且注意保养．2．安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且间距适当． (3)分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心． (4)测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的条纹数未数清． 八、实验改进实验室里的双缝干涉仪比较精密，并且安装不方便，调节、测量时十分麻烦．现用一种简单方法替换如下：用一支小孩激光笔，水平放置在桌面上，前面放置一双缝，则在正对的墙上就出现十分明显的双缝干涉条纹，测出相关的物理量，利用公式Δx ＝ldλ即可求出λ.优点：简单易操作．缺点：精度偏低． 【考点突破】问题2．如图所示是用双缝干涉测光的波长的实验设备示意图．(1)图中①是光源，⑤是光屏，它们之间的②③④依次是____________、____________和____________．(2)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间的距离( )A．增大③和④之间的距离 B．增大④和⑤之间的距离C．将红色滤光片改为绿色滤光片 D．增大双缝之间的距离(3)在某次实验中，已知双缝到光屏之间的距离是600 mm，双缝之间的距离是0.20 mm，单缝到双缝之间的距离是100 mm.某同学在用测量头测量时，先将测量头目镜中看到的分划板中心刻线对准某条亮纹(记作第1条)的中心，这时手轮上的示数如图甲所示．然后他转动测量头，使分划板中心刻线对准第7条亮纹的中心，这时手轮上的示数如图乙所示，这两次示数依次为______mm和________mm，由此可以计算出这次实验中所测得的单色光的波长为________nm.变式1. 利用图中装置研究双缝干涉现象时，有下面几种说法,其中正确的是：A.将屏移近双缝，干涉条纹间距变窄B.将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变宽C.将单缝向双缝移动一小段距离,干涉条纹间距变宽D.换一个两缝间距离较大的双缝,干涉条纹间距变窄E.去掉滤光片后, 干涉现象消失变式2.在用双缝干涉测光的波长的实验中，准备了下列仪器：A．白炽灯 B．双窄缝片 C．单窄缝片 D．滤光片 E．毛玻璃光屏（1）把以上仪器安装在光具座上，自光源起合理的顺序是_________（填字母）；（2）在某次实验中，用某种单色光通过双缝在光屏上得到明暗相间的干涉条纹，其中亮纹a、c的位置利用测量头上的分划板确定，如图所示；其中表示a纹位置（图甲）的手轮读数为 mm，c纹位置（图乙）的手轮读数为 mm；（3）已知双缝间的距离为0.18mm，双缝与屏的距离为500mm，则单色光的波长为μm.变式3．在利用双缝干涉测光的波长时，首先调节光源、滤光片、单缝和双缝的中心均位于遮光筒的中心轴线上，并使单缝和双缝竖直并且互相平行，当屏上出现了干涉图样后，用测量头上的游标卡尺去测量，转动手轮，移动分划板使分划中心刻线与某条明纹中心对齐时(如图甲所示)将此明纹记为1，然后再转动手轮，分划板中心刻线向右移动，依次经过2,3……等明纹，最终与明纹6中心对齐，分划板中心刻线与明纹1和明纹6对齐时游标卡尺示数分别如图中乙、丙所示(游标卡尺为10分度)，则图乙对应的读数为________m，图丙对应的读数为________m.用刻度尺量得双缝到屏的距离为60.00 cm，由双缝上标示获知双缝间距为0.2 mm，则发生干涉的光波波长为________m.在实验中，若经粗调后透过测量头上的目镜观察，看不到明暗相间的条纹，只看到一片亮区，造成这种情况的最可能的原因是___________________________________．变式4．在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图实－14－10所示)，并选用缝间距d＝0.20 mm的双缝屏．从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L＝700 mm.然后，接通电源使光源正常工作．(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度．某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第一次映入眼帘的干涉条纹如图甲(a)所示，图甲(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号，此时图甲(b)中游标尺上的读数x1＝1.16 mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示，此时图乙(b)中游标尺上的读数x2＝________mm；(2)利用上述测量结果，经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx＝________mm；这种色光的波长λ＝________nm.变式5.现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在图所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用来测量红光的波长.(1)将白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光学元件,由左至右,表示各光学元件的字母排列顺序应为C、、A.(2)本实验的步骤有：①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮;②按合理顺序在光具座上放置各光学元件,并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上;③用米尺测量双缝到屏的距离;④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离.在操作步骤②时还应注意和 .(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐,将该亮纹定为第1条亮纹,此时手轮上的示数如图甲所示.然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐,记下此时图乙中手轮上的示数 mm,求得相邻亮纹的间距Δx为mm.(4)已知双缝间距d为2.0×10-4m,测得双缝到屏的距离l为0.700m,由计算式λ= ,求得所测红光波长为 nm.答案实验1.测得玻璃的折射率【考点突破】问题1.(7) B D(8)① “不变”；② “偏小”变式1.(1)光路如图所示（2）∠i和∠r（3）αsinsin in=变式2.（1）在b b'一侧观察1P、2P（经b b'折射，a a'反射，再经b b'折射后）的像，在适当的位置插上3P，使得3P与1P、2P的像在一条直线上，即让3P挡住1P、2P的像；再插上4P，让它挡住2P（或1P）的像和3P.3P、4P 的位置如图.（2）①过1P 、2P 作直线与b b '交于o ； ②过3P 、4P 作直线与b b '交于o '； ③利用刻度尺找到o o '的中点M ；④过o 点作b b '的垂线CD ，过M 点作b b '的垂线与a a '相交与N ，如图所示，连接ON ； ⑤11θ=∠OD P ,2θ=∠CON .（3）21sin sin θθ 变式3.玻璃砖直径边绕O 点转过的角度 1sin n θ=。