2023版步步高物理一轮复习讲义第十四章 实验十三　测量玻璃的折射率

实验十三　测量玻璃的折射率目标要求　1.掌握测量折射率的原理及方法.2.能用插针法测量玻璃的折射率．实验技能储备1．实验原理如图所示，当光线AO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对应的出射光线O′B，从而画出折射光线OO′，求出折射角θ2，再根据n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)或n＝eq \f(PN,QN′)计算出玻璃的折射率．2．实验器材木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔．3．实验过程(1)用图钉把白纸固定在木板上．(2)在白纸上画一条直线aa′，并取aa′上的一点O为入射点，作过O点的法线MM′.(3)画出线段AO作为入射光线，并在AO上插上P1、P2两根大头针．(4)在白纸上放上玻璃砖，使玻璃砖的一条长边与直线aa′对齐，并画出另一条长边的对齐线bb′.(5)眼睛在bb′的一侧透过玻璃砖观察两个大头针并调整视线方向，使P1的像被P2的像挡住，然后在眼睛这一侧插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，再插上P4，使P4挡住P1、P2的像和P3.(6)移去玻璃砖，拔去大头针，由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线O′B及出射点O′，连接O、O′得到线段OO′.(7)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.(8)改变入射角，重复实验．4．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eq \f(sin θ1,sin θ2)，并取平均值．(2)图像法改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sin θ1－sin θ2的图像，由n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)可知图像应是过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率．(3)“单位圆”法以入射点O为圆心，以一定的长度R为半径画圆，如图所示，sin θ1＝eq \f(EH,OE)，sin θ2＝eq \f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，则n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(EH,E′H′).只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n.5．注意事项(1)实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O、P3与O′之间距离要稍大一些．(2)入射角θ1不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)．(3)操作时手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，也不能把玻璃砖界面当尺子画界线．(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．考点一　教材原型实验例1　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，笔，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图所示，其中实验操作正确的是________．(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A、B点，再过A、B点作法线NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图甲所示，则玻璃的折射率n＝________.(用图中线段的字母表示)(4)在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图乙中①、②所示，其中甲同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖．他们的其他操作均正确，且均以aa′、bb′为界面画光路图．则甲同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)；乙同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．答案　(1)AD　(2)D　(3)eq \f(AC,BD)　(4)偏小　不变解析　(1)为了作图误差更小，应选用两光学表面间距大的玻璃砖，A正确；根据折射定律可知，如果两个光学面不平行，不影响入射角与折射角的值，所以对折射率的测定结果不产生影响，B错误；为了准确测量光路图，应选用较细的大头针来完成实验，选用粗的大头针完成实验时，容易出现观察误差，使光线实际并不平行，C错误；插在玻璃砖同侧的大头针之间的距离适当大些时，相同的距离误差情况下引起的角度误差会减小，D正确．(2)由题图可知，选用的玻璃砖两光学表面平行，则入射光线应与出射光线平行，B、C错误；又光线在玻璃砖中与法线的夹角应小于光线在空气中与法线的夹角，A错误，D正确；(3)由折射定律可知n＝eq \f(sin∠AOC,sin∠BOD)＝eq \f(\f(AC,AO),\f(BD,BO))＝eq \f(AC,BD).(4)如图，甲同学测定折射率时，作出的折射光线如图中虚线所示，实线表示实际光线，可见折射角偏大，则由折射定律n ＝eq \f(sin θ1,sin θ2)，可知，折射率n将偏小．用题图②测折射率时，只要操作正确，折射率的测量值与玻璃砖形状无关，故乙同学测得的折射率与真实值相比不变．例2　如图所示，在测量玻璃折射率的实验中，两位同学先在白纸上放好截面是正三角形ABC的三棱镜，并确定AB和AC界面的位置．然后在棱镜的左侧画出一条直线，并在线上竖直插上两枚大头针P1和P2，再从棱镜的右侧观察P1和P2的像．(1)此后正确的操作步骤是________．A．插上大头针P3，使P3挡住P2的像B．插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像C．插上大头针P4，使P4挡住P3的像D．插上大头针P4，使P4挡住P3以及P1和P2的像(2)正确完成上述操作后，在纸上标出大头针P3、P4的位置(图中已标出)．为测量该种玻璃的折射率，两位同学分别用圆规及刻度尺作出了完整光路和若干条辅助线，如图甲、乙所示．能够仅通过测量ED、FG的长度便可正确计算出折射率的是图______(填“甲”或“乙”)，所测玻璃折射率的表达式n＝______(用代表线段长度的字母ED、FG表示)．答案　(1)BD　(2)乙　eq \f(ED,FG)解析　(1)此后正确的操作步骤是：插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像；插上大头针P4，使P4挡住P1、P2的像和P3，选项B、D正确．(2)能够仅通过测量ED、FG的长度便可正确计算出折射率的是题图乙，n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(\f(ED,OD),\f(FG,OG))＝eq \f(ED,FG).考点二　探索创新实验例3　某同学测量玻璃砖的折射率，准备了下列器材：激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有反射膜的平行玻璃砖．如图所示，直尺与玻璃砖平行放置，激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖表面，在直尺上观察到A、B两个光点，读出OA间的距离为20.00 cm，AB间的距离为6.00 cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面的距离d1＝10.00 cm，玻璃砖厚度d2＝4.00 cm，则该玻璃的折射率n＝________，光在该玻璃中传播速度v＝________ m/s(光在真空中传播速度c＝3.0×108 m/s，结果均保留两位有效数字)．答案　1.2　2.5×108解析　作出光路图如图所示，根据几何知识可得入射角i＝45°，设折射角为r，则tan r＝eq \f(3,4)，故折射率n＝eq \f(sin i,sin r)≈1.2，故v＝eq \f(c,n)＝2.5×108 m/s.例4　(2022·江苏淮安市模拟)某同学用半圆柱玻璃砖测定玻璃的折射率，他的操作步骤如下：A．用毫米刻度尺量出半圆柱玻璃砖的直径d，算出半径r＝eq \f(d,2)，然后确定圆心的位置，记在玻璃砖上；B．在白纸上画一条直线作为入射光线，并在入射光线上插两枚大头针P1和P2；C．让入射光线与玻璃砖的直径垂直，入射光线经过圆心O；D．以圆心O为轴，缓慢逆时针转动玻璃砖，同时调整视线方向，直到从AB下方恰好看不到P2和P1的像，然后沿半圆柱玻璃砖直径画一条直线AB，并作出光路图，如图所示．(1)看不到P2和P1的像是因为发生了________；(2)只使用毫米刻度尺，还需要测量________(选填“OD”或“CD”)的长度，记作l；(3)玻璃砖的折射率的表达式n＝________.答案　(1)全反射　(2)CD　(3)eq \f(d,2l)解析　(1)看不到P2和P1的像是由于光线在AB面上发生了全反射．(2)(3)只要测出“CD”的长度l，就相当于测出了临界角的正弦，即sin C＝eq \f(l,r)，而sin C＝eq \f(1,n)，可得折射率n＝eq \f(d,2l).课时精练1．如图所示，在做“测量玻璃的折射率”实验时，先在白纸上放好一块两面平行的玻璃砖，描出玻璃砖的两个边MN和PQ，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在另一侧透过玻璃砖观察，再插上大头针P3、P4，然后作出光路图，根据光路图计算得出玻璃的折射率．关于此实验，下列说法中正确的是(　　)A．大头针P4 须挡住P3及P1、P2的像B．入射角越大，折射率的测量越准确C．利用量角器量出i1、i2，可求出玻璃砖的折射率n＝eq \f(sin i2,sin i1)D．如果误将玻璃砖的边PQ画到P′Q′，折射率的测量值将偏大答案　A解析　确定P4大头针的位置的方法是大头针P4能挡住P3和P1、P2的像，故A正确；入射角适当大一些，能使折射率的测量准确，但不是越大越准确，故B错误；利用量角器量出i1、i2，可求出玻璃砖的折射率n＝eq \f(sin i1,sin i2)，故C错误；如果误将玻璃砖的边PQ画到P′Q′，则折射角i2将偏大，折射率的测量值将偏小，故D错误．2.某同学在利用“插针法”测定一块红色直角三角形玻璃砖的折射率时发现，由于玻璃的颜色较深，在另一侧很难观测到对侧所插的针．他想到可以用实验室的红色激光器来完成实验．如图所示，他在木板上固定好白纸，放好玻璃砖，正确作出了界面MN、MP、NP，然后让很细的激光平行于木板从玻璃砖的上界面MN入射．(1)由于激光很强，不能用眼睛直接观测，该同学通过在木板上插入被激光照亮的针来确定激光光路，正确的插针顺序应是________．A．P1、P2、P3、P4B．P4、P3、P2、P1C．P1、P2、P4、P3D．P4、P3、P1、P2(2)若P1P2与MN垂直，用量角器量得图中的θ1＝60°，θ2＝30°，则玻璃的折射率为________．A.eq \r(3) B.eq \f(\r(3),3)C.eq \f(2\r(3),3) D.eq \f(\r(3),2)(3)若激光器正常发光，平行于MN从玻璃砖NP界面垂直射入玻璃砖，如图中虚线箭头所示．该同学发现在MP一侧始终找不到出射光线，则原因是________________________；该同学在MP一侧没有找到出射光线，但在MN一侧找到了出射光线，他依然用被激光照亮的针确定了激光在MN一侧的出射光线和NP一侧的入射光线，则测量后他________计算出玻璃的折射率．(填“能”或“不能”)答案　(1)B　(2)A　(3)激光在MP界面上发生了全反射　能解析　(1)应该先插光路后面的针，否则光被挡住，后面的针无法确定位置，故正确的插针顺序应是P4、P3、P2、P1.故选B.(2)在MP界面上，由几何关系知光的入射角为i＝30°，折射角为r＝60°，则玻璃的折射率为n＝eq \f(sin r,sin i)＝eq \f(sin 60°,sin 30°)＝eq \r(3)，故选A.(3)入射光线与MN平行，在MP一侧没有找到出射光线，说明光线在MP上发生了全反射，根据几何关系可以求出光线在MN面上的入射角，由插针得出折射角，从而由折射率公式计算出折射率．3．(2022·北京市朝阳区模拟)在“测定玻璃的折射率”实验中：(1)为了取得较好的实验效果，下列操作正确的是________．A．选择的入射角应尽量小些B．大头针应垂直地插在纸面上C．大头针P1和P2及P3和P4之间的距离尽量小些(2)小红同学在测量入射角和折射角时，由于没有量角器，在完成了光路图以后，她以O点为圆心，OA为半径画圆，交OO′延长线于C点，过A点和C点作垂直法线的直线分别交法线于B点和D点，如图甲所示，她测得AB＝6 cm，CD＝4 cm，则可求出玻璃的折射率n＝________.(3)小明在画界面时，不小心将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃砖的宽度稍大些，如图乙所示，则他测得的折射率________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．(4)小明又设想用下面的方法测量液体的折射率：取一个半径为r的圆形软木塞，在它的圆心处垂直插上一枚大头针，让软木塞浮在液面上，如图丙所示．调整大头针插入软木塞的深度，使它露在外面的长度为h，这时从液面上方的各个方向向液体中看，恰好看不到大头针．利用测得的数据可求出液体的折射率n′＝________.答案　(1)B　(2)1.5　(3)偏小　(4)eq \f(\r(r2＋h2),r)解析　(1)为了减小测量的相对误差，选择的入射角应适当大些，效果会更好，A错误；为了准确确定入射光线和折射光线，大头针应垂直地插在纸面上，B正确；大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些，相同的距离误差，引起的角度误差会减小，角度的测量误差会小些，C错误．(2)题图甲中P1P2作为入射光线，OO′是折射光线，设光线在玻璃砖上表面的入射角为i，折射角为r，则由几何知识得到sin i＝eq \f(AB,AO)，sin r＝eq \f(CD,OC)，AO＝OC，则折射率n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(AB,CD)＝1.5.(3) 小明同学画出的aa′和bb′都比实际侧面向外侧平移了一些，但在画光路图时，将入射点、出射点分别确定在aa′、bb′上，如图实线表示实际的光路图，虚线表示小明同学画图时的光路图，入射角测量没有误差，而折射角偏大，则根据折射定律n＝eq \f(sin i,sin r)，测出的折射率n将偏小．(4)由题意可知，大头针上反射的光线到达水面恰好发生全反射时的光路图如图所示则发生全反射的临界角C满足sin C＝eq \f(r,\r(r2＋h2))sin C＝eq \f(1,n′)，则n′＝eq \f(\r(r2＋h2),r).4．在做测量介质折射率的分组实验时，其中有两个实验小组用不同的介质做的实验情况如下：(1)甲组同学在测玻璃的折射率实验时，用他们测得的多组入射角i与折射角r作出sin i－sin r图像如图甲所示，取0.67＝eq \f(2,3)，则该玻璃的折射率为________．光线是A“从空气射入玻璃”的还是B“从玻璃射入空气”的？________(选填A或B)．(2)乙组同学先画出图乙所示的坐标系，再在y