(完整版)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 ′就是玻璃砖内折射光线的方向．∠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－13－3

3．“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

＝EH OE ，sin θ2 ＝E ′H ′OE ′，OE ＝OE ′＝R ，则n ＝sin θ1sin θ2＝EH E ′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＝AB

OB CD OC

＝AB CD

. 【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：

P 1

P 2 P 3 P 4 a′ b′ i r A O B

E N N ´

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.试在题图中通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

P 1 P 2