實驗:測量玻璃的折射率一、實驗原理二、實驗器材木板、白紙、玻璃磚、大頭針、圖釘、量角器、直尺(刻度尺)、鉛筆。三、實驗操作及步驟1.用圖釘把白紙固定在木板上。2.在白紙上畫一條直線aa′,并取aa′上的一點O為入射點,作過O點的法線MM′。3.畫出線段AO作為入射光線,并在AO上插上P1、P2兩個大頭針。4.在白紙上放上玻璃磚,使玻璃磚的一條長邊與直線aa′對齊,并畫出另一條長邊的對齊線bb′。5.眼睛在bb′的一側(cè)透過玻璃磚觀察兩個大頭針并調(diào)整視線方向,使P1被P2擋住,然后在眼睛這一側(cè)插上大頭針P3,使P3擋住P1、P2,再插上P4,使P4擋住P3和P1、P2。6.移去玻璃磚,拔去大頭針,由大頭針P3、P4的針孔位置確定出射光線O′B及出射點O′,連接O、O′得線段OO′。7.用量角器測量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sinθ1和sinθ2。四、數(shù)據(jù)處理五、注意事項1.實驗時,應(yīng)盡可能將大頭針豎直插在紙上,且P1和P2之間、P3和P4之間、P2與O之間、P3與O′之間距離要稍大一些。2.入射角θ1不宜太大(接近90°),也不宜太小(接近0°)。3.操作時手不能觸摸玻璃磚的光潔光學(xué)面,也不能把玻璃磚界面當(dāng)尺子畫界線。4.實驗過程中,玻璃磚與白紙的相對位置不能改變。5.玻璃磚應(yīng)選用寬度較大的,宜在5cm以上,若寬度太小,則測量誤差較大。六、誤差分析1.入射光線、出射光線確定的準(zhǔn)確性造成誤差,故入射側(cè)、出射側(cè)所插兩枚大頭針間距應(yīng)大一些。2.入射角和折射角的測量造成誤差,故入射角應(yīng)適當(dāng)大些,以減小測量誤差?？键c一基礎(chǔ)性實驗[例1]【實驗原理與操作】

(2025·安徽安慶期中)在“測量玻璃的折射率”實驗中:(1)如圖甲所示,用插針法測量玻璃磚折射率的實驗中,下列說法正確的是

。A.當(dāng)P1、P2的距離較大時,通過玻璃磚會看不到P1、P2的像B.為減小測量誤差,P1、P2的連線與法線NN′的夾角應(yīng)盡量小些C.為了減小作圖誤差,P3和P4的距離應(yīng)適當(dāng)取大些D.當(dāng)P1、P2的連線與法線NN′夾角較大時,有可能在bb′面發(fā)生全反射,故在bb′一側(cè)就看不到P1、P2的像C【解析】

(1)根據(jù)光路可逆性原理可知,光線不會在玻璃磚的內(nèi)表面發(fā)生全反射,一定會從下表面射出,即使P1、P2的距離較大,通過玻璃磚仍然可以看到P1、P2的像,故A、D錯誤;為減小測量誤差,入射角應(yīng)適當(dāng)大一些,則P1、P2的連線與法線NN′的夾角應(yīng)適當(dāng)大些,故B錯誤;為了減小作圖誤差,P3和P4的距離應(yīng)適當(dāng)取大些,故C正確。(2)如果有幾塊寬度大小不同的平行玻璃磚可供選擇,為了減小誤差,應(yīng)選用寬度

(選填“大”或“小”)的玻璃磚來測量。

大【解析】

(2)玻璃磚的厚度越大,光線通過玻璃磚的側(cè)移量越大,測量誤差越小,故如果有幾塊寬度大小不同的玻璃磚可供選擇,為了減小誤差應(yīng)選寬度大的玻璃磚來測量。(3)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圖乙所示,其中實驗操作正確的是

。

D【解析】

(3)作出四次實驗玻璃磚中部分光路,如圖所示,因玻璃磚的折射率較大,故在玻璃磚中的折射角一定小于入射角,并且光線從玻璃磚中出來后,應(yīng)與入射光平行。故選D。(4)該實驗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,如圖丙所示,以入射點O為圓心作圓,與入射光線P1O、折射光線OO′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,則玻璃的折射率n=

(用圖中線段的字母表示)。

(5)在該實驗中,光線是由空氣射入玻璃磚,根據(jù)測得的入射角θ1和折射角θ2的正弦值作出的圖線如圖丁所示,從圖線可知玻璃磚的折射率是

。

1.5[例2]【數(shù)據(jù)處理與誤差分析】

(2023·廣東卷,11)某同學(xué)用激光筆和透明長方體玻璃磚測量玻璃的折射率。實驗過程如下:(1)將玻璃磚平放在水平桌面上的白紙上,用大頭針在白紙上標(biāo)記玻璃磚的邊界。(2)①激光筆發(fā)出的激光從玻璃磚上的M點水平入射,到達(dá)ef面上的O點后反射到N點射出。用大頭針在白紙上標(biāo)記O點、M點和激光筆出光孔Q的位置。②移走玻璃磚。在白紙上描繪玻璃磚的邊界和激光的光路,作QM連線的延長線與ef面的邊界交于P點,如圖甲所示。③用刻度尺測量PM和OM的長度d1和d2。PM的示數(shù)如圖乙所示,d1為

cm。測得d2為3.40cm。

2.25【解析】

(2)③刻度尺的分度值為0.1cm,由題圖乙可知,d1為2.25cm。(3)利用所測量的物理量,寫出玻璃磚折射率的表達(dá)式n=

。由測得的數(shù)據(jù)可得折射率n為

(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

1.51稍小一些考點二

創(chuàng)新性實驗[例3]【實驗方法的創(chuàng)新】

(2024·安徽模擬)某學(xué)習(xí)小組通過實驗測定一截面為半圓的玻璃磚的折射率n,方法如下:(1)玻璃磚直徑AB與豎直放置的光屏MN垂直并接觸于A點,置于水平桌面的白紙上。(2)用激光筆從玻璃磚一側(cè)照射半圓形玻璃磚的圓心O,如圖所示,在光屏MN上可以觀察到兩個光斑C、D,用大頭針分別在白紙上標(biāo)記圓心O點、C點、D點的位置,移走玻璃磚和光屏。(3)用刻度尺測量OC和OD的長度分別為L1、L2。(4)利用所測量的物理量,寫出玻璃磚折射率的表達(dá)式n=

。

(5)實驗中,不斷增大入射角,

(選填“能”或“不能”)觀察到全反射現(xiàn)象。

不能【解析】(5)光是從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì),所以不能觀察到全反射現(xiàn)象。(6)為減小實驗誤差,實驗中應(yīng)適當(dāng)

(選填“增大”或“減小”)激光在O點的入射角。

減小【解析】(6)為減小實驗測量的誤差,OC、OD的距離應(yīng)適當(dāng)大些,所以實驗中應(yīng)適當(dāng)減小激光在O點的入射角。[例4]【實驗原理的創(chuàng)新】(2025·云南昆明階段練習(xí))某物理實驗小組按課本習(xí)題要求,用下面的方法測量液體的折射率。(1)請將下列實驗步驟補充完整。①取一個圓形的軟木塞,用游標(biāo)卡尺測其直徑d的示數(shù)如圖甲所示,則d=

mm。

②在它的圓心處豎直插上一根大頭針,讓軟木塞浮在液面上(如圖乙所示)。30.1③調(diào)整大頭針插入軟木塞的深度,使它露在液體里的長度為h,這時從液面上方的各個方向都恰好看不到大頭針。【解析】

(1)根據(jù)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則,該讀數(shù)為30mm+0.1×1mm=30.1mm。(2)寫出用d和h求折射率的計算式:

。

(3)若用刻度尺測得大頭針露在外面的長度為

h=1.50cm,利用測得的d和h數(shù)據(jù),求出液體的折射率n=

。(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)

1.41[例5]【實驗器材的創(chuàng)新】

(2024·貴州安順模擬)學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí),某研究小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)的光學(xué)知識,設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器,如圖所示。在一個圓盤上,過其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF,在半徑OA上,垂直于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(jìn)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(xué)們通過計算,預(yù)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(yīng)的折射率的值為

。

(2)作AO的延長線交圓周于K,K處所對應(yīng)的折射率值應(yīng)為

。

1【解析】(2)作AO的延長線交圓周于K,此時入射角與折射角相等,故K處所對應(yīng)的折射率值應(yīng)為1。(3)你認(rèn)為圓周KC部分折射率刻度有什么特點?

(至少寫出兩條)。

折射率刻度不均勻,靠近K刻度密集,靠近C刻度稀疏;靠近C讀數(shù)誤差小,靠近K讀數(shù)誤差大[例6]【實驗情境的創(chuàng)新】

(2024·廣東佛山期末)某同學(xué)利用可伸縮萬向支架、激光筆和長方體透明水槽測量水的折射率,如圖所示,激光筆固定在萬向支架上,調(diào)節(jié)高度和角度,使激光平行于水槽正立面(如圖中所示的橫截面),從水槽的左上角射入,用記號筆在水槽正立面記下激光在水槽底部的光點A。往水槽內(nèi)緩慢注入清水,直到水面高度接近水槽高度的一半,用記號筆在水槽正立面記下激光在水槽底部光點B(圖中未畫出)和水面CD,在水槽正立面用記號筆畫直線,連接水槽左上角和A點,交CD于E點,用刻度尺分別測量EA的長度L1=20.0cm,EB的長度L2=15.0cm,水面CD距水槽底部高度h=12.0cm。由此可得:(1)B點處于A點的

(選填“左”或“右”)側(cè)。

左【解析】

(1)由于激光在水面發(fā)生折射,而光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時,入射角大于折射角,作出光路圖如圖所示,可知B點位于A點的左側(cè)。(2)激光入射角的正弦值sini=

(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

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