测定玻璃砖折射率误差的分析

测定玻璃砖折射率误差的分析

湖北 应城一中 何飞 432400

测定玻璃砖折射率是高中物理选修模块几何光学中考查的实验，该实验操作并不复杂，但是学生在实验中不细心，对实验理论掌握不透彻等因素的影响，造成实验误差的现象比比皆是.由于本实验中先要画出与玻璃砖等宽的平行边界线，然后将玻璃砖放入平行界线中间，并且在后面的实验过程中玻璃不能移动，所以玻璃砖的移动是造成本次实验误差的重要因素，学会如何分析这些原因的形成，有利于指导我们的实验.本文从折射率的定义出发，通过详细的作图分析，深入挖掘形成误差的原因并总结规律.

一、偏大型 一条边界线与玻璃砖上表面对齐，另一条边界线没有对齐玻璃砖的下表面，使得两边界线宽度小于玻璃砖的厚度.作图1分析如下：

P 3、P 4是用插针法画出的出射光线，交玻璃砖的下表面于O 1，交所画界线bb '于O 2，则

O 1点为真实的出射光线和玻璃砖的交点，O 2为出射光线和所画有误界线的交点。连接O 1O 2，则光线O 1O 2为真实的折射光线，光线OO 2是实验者认为的折射光线，实则为有误差的折射光线.所以r 2为真实的折射角，r 1为有误差的折射角.

由折射率的定义： 2sin =sin i n r 真 1sin =sin i n r 测 12

12

sin sin r r r r <∴<

n n ∴>测真 即测量结果偏大.

图1

如图2所示，上边界aa'画得低于玻璃砖的上表面，致使aa'和bb'的间距小于玻璃砖的厚度；如图3所示，上边界aa'画得低于玻璃砖的上表面，同时下边界bb'画得高于玻璃砖的下表面，致使aa'和bb'的间距也小于玻璃砖的厚度。在这两种情况中，测量结果均偏大.

二、偏小型 一条边界线与玻璃砖上表面对齐，另一条边界线没有对齐玻璃砖的下表面，使得两边界线宽度大于玻璃砖的厚度.作图4分析如下：

P 3、P 4是用插针法画出的出射光线，O 1是出射光线和界线bb'的交点，反向延长与玻璃砖下表面的交点为O 2，连接OO 1和OO 2，则光线OO 1为有误差的折射光线，光线OO 2为真实的折射光线.

r 1为有误差的折射角，r 2为真实的折射角.

由折射率的定义可知： 2sin =sin i n r 真 1sin =sin i n r 测 21

21

sin sin r r r r <∴< n n ∴<测真 图2 图3

图4

图5

图6

即测量结果偏小.

如图5所示，上边界aa'画得高于玻璃砖的上表面，致使aa'和bb'的间距大于玻璃砖的厚度；如图6所示，上边界aa'画得高于玻璃砖的上表面，同时下边界bb'画得低于玻璃砖的下表面，致使aa'和bb'的间距也大于玻璃砖的厚度.在这两种情况中，测量结果均偏小.

三、不变型 虽然在实验过程中，所作的界线aa'与bb'没有与玻璃砖的上下表面对齐，但界线aa'与bb'之间的距离仍等于玻璃砖的厚度，此时得到的测量结果将与真实值相等，测量结果不变.作图7分析如下：

O 2、O 4为入射光线P 1P 2延长线和出射光线P 3P 4与上下边界的交点，O 3、O 1为出射光线P 3P 4的反向延长线和入射光线P 1P 2与玻璃砖上下表面的交点，入射角为i ，真实的折射角为r 1，有误差的折射角为r 2. O 1O 3为真实的折射光线，O 2O 4为有误差的折射光线.由于aa'与bb'之间的距离等于玻璃砖的厚度，故：O 1O 2平行且等于O 3O 4，所以四边形O 1O 2O 4O 3为平行四边形.1324//O O O O ∴，即：r 1=r 2.

由折射率的定义知： 1sin =sin i n r 真 2

sin =sin i n r 测

12sin sin r r =

=n n ∴测真

即测量结果与真实值相等. 可见，不论在实验过程中边界线如何画，若上下界线上的入射点和出射点间距离小于玻璃砖厚度，测量结果就大于真实值；若上下界线上的入射点和出射点间距离大于玻璃砖厚度，测量结果就小于真实值；若上下界线上的入射点和出射点间距离等于玻璃砖厚度，测量结果就等于真实值。抓住这个规律，分析边界线给玻璃砖折射率测定带来的误差就易于反掌. 图7