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    2021-2022学年高中物理新鲁科版选择性必修第一册 第4章 第2节 科学测量:玻璃的折射率 学案

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    高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2节 科学测量:玻璃的折射率学案

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    这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2节 科学测量:玻璃的折射率学案,共9页。
    2节 科学测量:玻璃的折射率[实验目标]1.测量玻璃的折射率.2.学会用插针法确定光路.一、实验原理用插针法确定光路找出跟入射光线相对应的折射光线用量角器测出入射角i和折射角r根据折射定律计算出玻璃的折射率n二、实验器材玻璃砖白纸木板大头针四枚图钉四枚量角器刻度尺铅笔.三、实验步骤(1)如图所示将白纸用图钉钉在平木板上;(2)在白纸上画出一条直线aa作为界面(线)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使它的长边跟aa对齐画出玻璃砖的另一边bb(4)在直线AO上竖直插上两枚大头针P1P2透过玻璃砖观察大头针P1P2的像调整视线方向直到P2的像挡住P1的像.再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3P4使P3挡住P1P2的像P4挡住P3P1P2的像记下P3P4的位置;(5)移去大头针和玻璃砖P3P4所在处作直线OBbb交于O直线OB就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向;(6)连接OO入射角iAON折射角rOON用量角器量出入射角和折射角从三角函数表中查出它们的正弦值把这些数据记录在自己设计的表格中;(7)用上述方法分别求出入射角分别为30°45°60°时的折射角查出它们的正弦值填入表格中.四、数据处理方法一:平均值法求出在几次实验中所测的平均值即为玻璃砖的折射率.方法二:图像法在几次改变入射角对应的入射角和折射角正弦值的基础上sin i值为横坐标sin r值为纵坐标建立直角坐标系如图所示.描数据点过数据点连线得一条过原点的直线.求解图线斜率kk故玻璃砖折射率n方法三:作图法在找到入射光线和折射光线以后以入射点O为圆心以任意长为半径画圆分别与AO交于COE(OE的延长线)交于DCD两点分别向NN作垂线NNCD用直尺量出CCDD的长如图所示.由于sin isin rCODO所以折射率n1五、注意事项(1)实验时尽可能将大头针竖直插在纸上且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些.(2)入射角θ1应适当大一些以减小测量角度的误差但入射角不宜太大.(3)在操作时手不能触摸玻璃砖的光洁面更不能把玻璃砖界面当尺子画界线.(4)在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.六、实验误差(1)入射光线和出射光线画得不够精确.因此要求插大头针时两大头针间距应稍大.(2)入射角折射角测量不精确.为减小测角时的相对误差入射角要稍大些但不宜太大入射角太大时反射光较强折射光会相对较弱. 类型一 实验原理与操作【典例1 在测量玻璃的折射率实验时(1)下列做法正确的是________A入射角越大误差越小B在白纸上放好玻璃砖后用铅笔贴着光学面画出界面C实验时既可用量角器也可用圆规和直尺等工具进行测量D判断像与针是否在同一直线时应该观察大头针的头部(2)小明同学在插针时玻璃砖的位置如图所示根据插针与纸上已画的界面确定入射点与出射点依据上述操作所测得的折射率________(偏大”“偏小不变)(3)小明同学经正确操作后在纸上留下四枚大头针的位置P1P2P3P4ABCD是描出的玻璃砖的两个边如图所示请在虚线框中画出光路图.[解析] (1)本实验在用插针法时,角度不宜过大,否则很难确定折射角,选项A错误;不能用铅笔贴着光学面画界面,所以选项B错误;本实验通过n求折射率,也可以通过单位圆法求折射率,所以选项C正确;在观察像与针是否在一条直线时,应该观察大头针底部,选项D错误.(2)由图甲可知,此次测量的折射角偏大,导致测得的折射率偏小.(3)光路图如图乙所示.甲         乙[答案] (1)C (2)偏小 (3)光路图见解析 类型二 数据处理和误差分析【典例2 如图所示某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率.在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1P2确定入射光线并让入射光线过圆心O在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3使P3挡住P1P2的像连接OP3图中MN为分界面虚线半圆与玻璃砖对称BC分别是入射光线折射光线与圆的交点ABCD均垂直于法线并分别交法线于AD点.(1)AB的长度为l1AO的长度为l2CD的长度为l3DO的长度为l4为较方便地表示出玻璃砖的折射率需用刻度尺测量__________则玻璃砖的折射率可表示为________(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度由此测得玻璃砖的折射率将________(选填偏大”“偏小不变)[解析] (1)sin isin r,因此玻璃的折射率n,因此只需测量l1l3即可.(2)当玻璃砖顺时针转过一个小角度时,在处理数据时,认为l1是不变的,即入射角不变,而l3减小,所以测量值n将偏大.[答案] (1)l1l3 n (2)偏大 类型三 创新实验设计【典例3 用圆弧状玻璃砖做测量玻璃折射率的实验时先在白纸上放好圆弧状玻璃砖在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1P2然后在玻璃砖的另一侧观察调整视线使P1的像被P2的像挡住接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3P4使P3挡住P1P2的像P4挡住P3以及P1P2的像在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓如图甲所示(O为两圆弧圆心图中已画出经过P1P2点的入射光线)甲         乙(1)在图上补画出所需的光路;(2)为了测出玻璃的折射率需要测量入射角θ1和折射角θ2请在图中的分界面上画出这两个角;(3)多次改变入射角测得几组入射角和折射角根据测得的入射角和折射角的正弦值画出了如图乙所示的图像由图像可知该玻璃的折射率n________[解析] (1)连接P3P4交于一点,此交点即为光线从玻璃砖中射出的位置,又由于P1P2的连线与的交点即为光线射入玻璃砖的位置,连接两点即可作出玻璃砖中的光线,如图所示.(2)连接O点与光线在上的入射点即为法线,作出入射角和折射角如图中θ1θ2所示.(3)图像的斜率kn,由题图乙可知斜率为1.5,即玻璃的折射率为1.5[答案] (1)见解析图 (2)见解析图中θ1θ2 (3)1.51如图所示关于测定玻璃的折射率的实验回答以下问题.(1)请证明图中的入射光线和射出玻璃砖的光线是平行的;(2)为减小实验误差入射角大一些好还是小一些好?[解析] (1)如图所示,证明:n,而r1i2所以i1r2,所以入射光线平行于出射光线.(2)大一些好.这样测量的误差会小些,可以减小实验误差.[答案] 见解析2小显和小涛同学用插针法测玻璃棱镜的折射率甲          乙(1)小显同学按实验步骤先在纸上插下二枚大头针P1P2然后在玻璃棱镜的另一侧插下另外二枚大头针如图甲所示.则插针一定错误的是________(选填P3P4P5P6)按实验要求完成光路图并标出相应的符号所测出的玻璃棱镜的折射率n________(2)小涛同学突发奇想用两块同样的玻璃直角三棱镜ABC来做实验两者的AC面是平行放置的如图乙所示.插针P1P2的连线垂直于AB若操作正确的话则在图乙中右边的插针应该是________(选填P3P4”、“P3P6”、“P5P4”、“P5P6)[解析] (1)光线经三棱镜折射后应该偏向底边,故插针一定错误的是P5P6;光路如图;根据光的折射定律: n(2)根据光路图可知,经过P1P2的光线经两块玻璃砖的分界处后向下偏,然后射入右侧玻璃砖后平行射出,则图乙中右边的插针应该是P5P6[答案] (1)P5P6  (2)P5P63测定玻璃折射率的实验中某同学经正确操作插好了4枚大头针如图甲所示.(1)在图乙中画出完整的光路图;甲           乙(2)对你画出的光路图进行测量和计算求得该玻璃砖的折射率n________(保留3位有效数字)[解析] (1)分别连接玻璃砖两侧的大头针所在的点,并延长与玻璃砖边分别相交,标出传播方向,然后连接玻璃砖边界的两交点,即为光线在玻璃砖中传播的方向.光路如图所示.(2)设方格纸上正方形的边长为1,光线的入射角为i,折射角为r,则sin i0.798sin r0.521所以玻璃的折射率n1.53[答案] (1)见解析 (2)1.53(说明:±0.03范围内都可)4(2019·天津高考)某小组做测定玻璃的折射率实验所用器材有:玻璃砖大头针刻度尺圆规白纸.(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度________A选用两光学表面间距大的玻璃砖B选用两光学表面平行的玻璃砖C选用粗的大头针完成实验D插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些(2)该小组用同一套器材完成了四次实验记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示其中实验操作正确的是________A    B    C    D(3)该小组选取了操作正确的实验记录在白纸上画出光线的径迹以入射点O为圆心作圆与入射光线折射光线分别交于AB再过AB点作法线NN的垂线垂足分别为CD如图所示则玻璃的折射率n____(用图中线段的字母表示)[解析] (1)采用插针法测定玻璃的折射率的时候,应选定光学表面间距大一些的玻璃砖,这样光路图会更加清晰,减小误差,同时玻璃砖同侧的两枚大头针的距离尽量大一些,保证光线的直线度,因此AD正确;光学表面是否平行不影响该实验的准确度,因此B错误;应选用细一点的大头针,因此C错误.(2)根据光的折射定律可知,当选用平行的玻璃砖时出射光和入射光应是平行光,又因发生了折射因此出射光的出射点应相比入射光的延长线向左平移,因此D正确,ABC错误.(3)由折射定律可知折射率nsinAOCsinBOD,联立解得n[答案] (1)AD (2)D (3)   

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