第四章光1.光的折射第2課時實驗：測量玻璃的折射率學習目標1.會用“插針法”確定入射光線、折射光線。(科學探究)2.會用公式法、圖像法(sinθ1-sinθ2圖像)求折射率。(科學探究)3.會控制實驗誤差。(科學探究)基礎落實·必備知識全過關

插兩針(兩點)確定一直線(光線)入射角適當大一些但不宜過大

四、實驗步驟1.如圖所示,將白紙用圖釘釘在平木板上。2.在白紙上畫出一條直線aa'作為界面(線),過aa'上的一點O畫出界面的法線NN',并畫一條線段AO作為入射光線。3.把長方形玻璃磚放在白紙上,使它的長邊跟aa'對齊,畫出玻璃磚的另一邊bb'。4.在直線AO上豎直插上兩枚大頭針P1、P2,透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像,調整視線方向直到P2的像擋住P1的像,再在觀察者一側豎直插上兩枚大頭針P3、P4,使P3擋住P1、P2的像,P4擋住P3及P1、P2的像,記下P3、P4的位置。

5.移去大頭針和玻璃磚,過P3、P4所在處作直線O'B與bb'交于O',直線O'B就代表了沿AO方向入射的光線通過玻璃磚后的傳播方向。6.連接OO',入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O'ON',用量角器量出入射角和折射角。7.改變?nèi)肷浣侵貜蛯嶒?。保證入射光線和折射光線的對應性

3.單位圓法:在不使用量角器的情況下,可以用畫單位圓法。(1)以入射點O為圓心,以一定長度R為半徑畫圓,交入射光線OA于E點,交折射光線OO'于E'點,過E作NN'的垂線EH,過E'作NN'的垂線E'H',如圖所示。

六、實驗誤差1.入射光線和出射光線畫得不夠精確。因此,要求插大頭針時兩大頭針間距應稍大些。2.入射角、折射角測量不精確。減小測角時的相對誤差的方法:①入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大時,反射光較強,折射光會相對較弱;②玻璃磚的寬度宜選5cm以上的。易錯辨析(1)在做用插針法測量玻璃的折射率的實驗時,盡可能將大頭針豎直插在紙上,且大頭針之間及大頭針與光線轉折點之間的距離要稍大一些。(

)(2)用插針法測量玻璃的折射率實驗中,入射角θ1大一些可以減小測量角度的誤差,故θ1越大越好。(

)(3)用插針法測量玻璃的折射率實驗中,操作時,手不能觸摸玻璃磚的光學面,更不能把玻璃磚界面當尺子畫界線。(

)(4)用插針法測量玻璃的折射率實驗中,作出入射角和折射角的sin

θ1-sin

θ2圖像,圖像的斜率為折射率。(

)(5)用插針法測量玻璃的折射率實驗中,玻璃磚應選用寬度較大的,宜在5

cm以上。若寬度太小,則測量誤差較大。(

)√×解析

θ1大一些可以減小測量角的誤差,但θ1過大折射光線強度變?nèi)?不便于觀察?！獭獭讨仉y探究·能力素養(yǎng)全提升探究點一實驗原理與操作典例剖析【例題1】

(2024湖北武漢高二期中改編)(1)幾位同學做“用插針法測量玻璃折射率”的實驗,如圖甲所示,直線aa'、bb'表示在白紙上畫出的玻璃磚的兩個界面。某位同學進行了如下操作:A.選定的玻璃磚兩個光學面aa'與bb'不平行B.用筆在白紙上沿著玻璃磚上側和下側分別畫出直線a和a'C.實驗時入射角θ1盡量小一些

上述操作正確的是__________。

損傷玻璃面

增大測量角的誤差

甲A解析

該同學選定的玻璃磚兩個光學面aa'和bb'不平行,不會影響入射角和折射角的確定,故A正確;在白紙上畫出一條直線aa'作為界面,把長方體玻璃磚放在白紙上,使它的一個長邊與aa'對齊,用直尺或者三角板輕靠在玻璃磚的另一長邊,按住直尺或三角板不動,將玻璃磚取下,畫出直線bb'代表玻璃磚的另一邊,而不能用筆在白紙上沿著玻璃磚上邊和下邊分別畫出直線aa'和bb',故B錯誤;實驗時入射角θ1應盡量大一些,但也不能太大(接近90°),以減小實驗誤差,故C錯誤。(2)在用插針法測玻璃磚折射率的實驗中,已確定好入射方向AO,插了兩枚大頭針P1和P2,如圖乙所示(①②③是三條直線)。下列操作正確的是__________。

光線經(jīng)過平行玻璃磚后發(fā)生折射,不可能在③線上

A.在bb'側調整觀察視線,另兩枚大頭針P3和P4可能插在③線上B.保持O點不動,減小入射角,在bb'側調整觀察視線,另兩枚大頭針P3和P4可能插在①線上乙

B解析

由折射定律得知,光線通過平行玻璃磚后向一側發(fā)生側移,由于光線在上表面折射時,折射角小于入射角,則出射光線向②一側偏移,如圖所示,故另兩枚大頭針P3和P4不可能插在③線上,故A錯誤;若保持O點不動,減小入射角,折射角也減小,另外兩枚大頭針P3和P4可能插在①線上,故B正確。綠光的折射角小于紅光的折射角

(3)為探究介質折射率與光的頻率的關系,分別用一束紅光和一束綠光從同一點入射到空氣與玻璃的分界面。保持相同的入射角,根據(jù)實驗結果作出光路圖,并標記紅光和綠光,如圖丙所示,此實驗初步表明:對于同一種介質,折射率與光的頻率有關。頻率大,折射率_________(選填“大”或“小”)。

大

(4)為探究折射率與介質材料的關系,用同一束微光分別入射玻璃磚和某透明介質,如圖丁、戊所示。保持相同的入射角α1,測得折射角分別為α2、α3(α2<α3),則玻璃和該介質的折射率大小關系為n玻璃_________(選填“>”或“<”)n介質。此實驗初步表明:對于一定頻率的光,折射率與介質材料有關。

>

對點演練1.如圖所示,某同學欲用插針法測定一半圓形玻璃磚的折射率。在平鋪的白紙上垂直紙面插大頭針P1、P2確定入射光線,并讓入射光線過圓心O,在玻璃磚(圖中實線部分)另一側垂直紙面插大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像,連接OP3。圖中MN為界面,虛線半圓與玻璃磚對稱,B、C分別是入射光線、折射光線與圓的交點,AB、CD均垂直于法線并分別交法線于A、D點。設AB的長度為l1,AO的長度為l2,CD的長度為l3,DO的長度為l4,為較方便地表示出玻璃磚的折射率,一定需要用刻度尺測量__________(用上述所給物理量的字母表示),則玻璃磚的折射率可表示為__________。

l1、l3

探究點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析典例剖析【例題2】

(2025山東東營高二期末)在“測量玻璃的折射率”實驗中:(1)小紅同學在測量入射角和折射角時,由于沒有量角器,在完成了光路圖以后,她以O點為圓心,OA為半徑畫圓,交OO'延長線于C點,過A點和C點作垂直于法線的直線分別交法線于B點和D點,如圖所示,她測得lAB=6.4cm,lCD=4cm,則可求出玻璃的折射率n=__________。

1.6

(2)小明在畫界面時,①不小心將兩界面aa'、bb'間距畫得比玻璃磚的寬度稍大些,如圖所示,則他測得的折射率__________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。

偏小

解析

光路圖如圖所示

②如圖所示,若在畫好玻璃磚界面兩條直線aa'和bb'后,不慎誤將玻璃磚向上移至圖中虛線位置,其他操作均正確,則測出的折射率將__________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。

不變

解析

題圖丙所示的光路圖如圖所示作出的折射光線如圖中①線所示,②線表示實際光線,入射角和折射角都不變,則由折射定律可知,折射率不變。對點演練2.某小組做測定玻璃的折射率實驗,所用器材:玻璃磚、大頭針、刻度尺、圓規(guī)、筆、白紙。(1)下列措施能夠提高實驗準確程度的有__________;

A.選用兩光學表面間距大的玻璃磚B.選用兩光學表面平行的玻璃磚C.選用粗的大頭針完成實驗D.插在玻璃磚同側的兩枚大頭針間的距離盡量大些AD解析

在插針法測定玻璃的折射率實驗中,使用兩光學面間距大的玻璃磚能更準確地確定玻璃磚內(nèi)光線的位置,有利于減小實驗誤差,而兩光學面是否平行對測量折射率沒有影響,A正確,B錯誤;插針時要求后插的針擋住先插的針或先插的針的像,故選用細一點的大頭針能更準確地確定光線位置,提高實驗精確度,C錯誤;實驗中是根據(jù)同側兩枚大頭針的連線來確定入射光線或出射光線,故距離大些更好,D正確。

(2)該小組用同一套器材完成了四次實驗,記錄的玻璃磚界線和四個大頭針扎下的孔洞如下圖所示,其中實驗操作正確的是__________;

D解析

由題圖可知實驗使用的是平行玻璃磚,故出射光線應該與入射光線平行,選項A出射光線與入射光線在同一直線上,選項B、C中出射光線與入射光線不平行,故只有D正確。(3)該小組選取了操作正確的實驗記錄,在白紙上畫出光線的徑跡,以入射點O為圓心作圓,與入射光線、折射光線分別交于A、B點,再過A、B點作法線NN'的垂線,垂足分別為C、D點,如圖所示,則玻璃的折射率n=__________。(用圖中線段的字母表示)

探究點三實驗的改進創(chuàng)新典例剖析【例題3】

如圖所示,一個學生用廣口瓶和刻度尺測定水的折射率,請?zhí)顚懴率鰧嶒灢襟E中的空白。(1)用刻度尺測出廣口瓶瓶口內(nèi)徑d。(2)在瓶內(nèi)裝滿水。(3)將刻度尺沿瓶口邊緣豎直插入水中。(4)沿廣口瓶邊緣向水中刻度尺正面看去,若恰能看到刻度尺的0刻度(即圖中A點),同時看到水面上B點刻度的像B'恰與A點的像相重合。如圖所示,若水面恰與刻度尺的C點相平,則__________和__________________分別等于入射角和折射角。

∠OAC∠OB'C或∠OBC(5)讀出__________和__________的長度。

(6)由題中所給條件和前面步驟得到的數(shù)據(jù),可以計算水的折射率n=___________________________。

ACAB

3.學校開展研究性學習,某研究小組的同學根據(jù)所學的光學知識,設計了一個測量液體折射率的儀器,如圖所示。在一圓盤上,過其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF,在半徑OA上,垂直盤面插下兩枚大頭針P1、P2,并保持P1、P2位置不變,每次測量時讓圓盤的下半部分豎直進入液體中,而且總使得液面與直徑BC相平,EF作為界面的法線,而后在圖中右上方區(qū)域觀察P1、P2的像,并在圓周上插上大頭針P3,使P3正好擋住P1、P2的像,同學們通過計算,預先在圓周EC部分刻好了折射率的值,這樣只要根據(jù)P3所插的位置,就可直接讀出液體折射率的值,則:(1)若∠AOF=30°,OP3與OC的夾角為30°,則P3處所對應的折射率的值為__________。

(2)圖中P3、P4兩位置中,__________(選填“P3”或“P4”)所對應的折射率的值大。

(3)作AO的延長線交圓周于K,K處所對應的折射率的值應為__________。

P41

學以致用·隨堂檢測全達標121.(實驗原理與操作)在測量玻璃折射率的實驗中,操作步驟如下,請在橫線上將實驗內(nèi)容補充完整。(1)先在白紙上畫出一條直線aa'代表兩種介質的界面,過aa'上的一點O畫出界面的法線NN',并畫一條線段AO作為入射光線;(2)把長方形玻璃磚放在白紙上,使它的長邊跟aa'對齊。在白紙上畫出玻璃磚的另一個界面bb';(3)在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2,透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像。調整視線方向,直到P1的像被P2的像擋住。再在觀察的這一側插兩枚大頭針P3、P4,使P3擋住P1、P2