2021版浙江新高考选考物理一轮复习教师用书：16实验微讲座4　2实验十二　测定玻璃的折射率

实验十二　测定玻璃的折射率一、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，从而求出折射光线OO′和折射角θ2，再根据n＝或n＝ 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P1、P2.5．从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线的方向直到P1的像被P2的像挡住．再在bb′一侧插上两枚大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P3本身及P1、P2的像．6．移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置，过P3、P4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，算出不同入射角时的，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＝可知图象应为直线，如图所示，其斜率就是玻璃的折射率．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，以适当长度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′.如图所示，sin θ1＝，sin θ2＝，OE＝OE′＝R，则n＝＝.只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n.六、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°)．太大：反射光较强，出射光较弱；太小：入射角、折射角测量的相对误差较大．3．操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，更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．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．　对实验原理与操作的考查【典题例析】　“测定玻璃的折射率”实验中，在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A、B，在另一侧再竖直插两个大头针C、D.在插入第四个大头针D时，要使它_________________________________________．如图是在白纸上留下的实验痕迹，其中直线a、a′是描在纸上的玻璃砖的两个边．根据该图可算得玻璃的折射率n＝__________．(计算结果保留两位有效数字)[解析]　测定玻璃折射率的实验是利用大头针得到进入玻璃的入射光线，在另一侧插入大头针挡住前面的A、B的像来确定C，同样插入大头针D挡住C及A、B的像，C和D确定了出射光线，利用入射点和出射点的连线来确定折射光线，作出法线FG，连接OO′，以O点为圆心画圆，分别交AB、OO′于E、Q两点，分别过E、Q向GF作垂线EG、FQ并用毫米刻度尺测其长度，如图所示，根据n＝可得：n＝＝1.8.[答案]　挡住C及A、B的像　1.8(1.6～1.9)　(2017·11月浙江选考)在“测定玻璃的折射率”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1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________(填“偏大”“偏小”或“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P1、P2、P3和P4，AB和CD是描出的玻璃砖的两个边，如图2所示．请画出光路图．答案：(1)C　(2)偏小　(3)如图所示　对实验误差分析的考查【典题例析】　在做测定玻璃的折射率n的实验时：(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面ab和cd时不慎碰了玻璃砖使它向ab方向平移了一些，如图甲所示，其后的操作都正确．但画光路图时，将折射点确定在ab和cd上，则测出的n值将________．(2)乙同学为了避免笔尖接触玻璃面，画出的a′b′和c′d′都比实际界面向外侧平移了一些，如图乙所示，以后的操作均正确，画光路图时将入射点和折射点都确定在a′b′和c′d′上，则所测出的n值将________．(3)丙同学在操作和作图时均无失误，但所用玻璃砖的两个界面明显不平行．这时测出的n值将________．[解析]　(1)由图1可以看出折射角不变，入射角相同，故测得的折射率将不变．(2)由图2可看出，使入射点向左移，折射点向右移，所画出的折射角比实际折射角偏大，由n＝知，测得的折射率偏小．(3)同样可根据入射光线和出射光线确定玻璃砖内折射光线，从而确定入射角和折射角，只要第二个界面不发生全反射即可，不过入射光线和出射光线不平行，如图3所示．[答案]　(1)不变　(2)偏小　(3)不受影响　学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据所学的知识，设计了一个测量液体折射率的仪器，如图所示．在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、FE，在半径OA上，垂直盘面插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，则EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P2的像．同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值．(1)若∠AOF＝30°，OP3与OC的夹角为30°，则P3处所对应的折射率的值为________．(2)图中P3、P4两位置中所对应的折射率的值较大的是________．(3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率值应为________．解析：(1)根据折射定律n＝，题中θ1＝60°，θ2＝∠AOF＝30°，所以n＝＝；(2)题图中P4对应的入射角大于P3所对应的入射角，所以P4对应的折射率的值大；(3)因A、O、K在一条直线上，入射角等于折射角，所以K处对应的折射率的值应为1.答案：(1)　(2)P4　(3)11．如图所示，用插针法测定玻璃折射率的实验中，以下各说法中正确的是(　　)A．P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以提高准确度B．P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些，可以提高准确度C．入射角θ1适当大些可以提高准确度D．P1、P2的间距，入射角的大小均与实验的准确度无关解析：选AC.因为实验中的入射光线和折射光线都是通过隔着玻璃砖观察成一直线后确定的，大头针相互间的距离太小，容易出现偏差，A正确，B错误；入射角适当大些，相应的折射角也增大，折射现象较明显，容易测量些，C正确，D错误．2．“测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图所示．在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“×”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3和P4.在插P3和P4时，应使________(填选项前的字母)．A．P3只挡住P1的像B．P4只挡住P2的像C．P3同时挡住P1、P2的像解析：实验中，在插P3时，应同时挡住P1、P2的像；在插P4时，应同时挡住P3和P1、P2的像．答案：C3．某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率，所用的玻璃砖两面平行．正确操作后，作出的光路图及测出的相关角度如图所示．(1)此玻璃的折射率计算式为n＝________(用图中的θ1、θ2表示)；(2)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择，为了减小误差，应选用宽度________(填“大”或“小”)的玻璃砖来测量．解析：(1)由折射率公式可得n＝＝.(2)玻璃砖的宽度越大，出射光线的侧移量越大，玻璃砖中折射光线的误差越小，所以应选用宽度大的玻璃砖来测量．答案：(1)　(2)大4．(2020·绍兴质检)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上大头针P1、P2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P1、P2的像，连接OP3.图中MN为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点．(1)设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO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________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．答案：(1)l1和l3　　(2)偏大5.(2020·宁波调研)利用插针法可以测量半圆柱形玻璃砖的折射率．实验方法如下：在白纸上作一直线MN，并作出它的一条垂线AB，将半圆柱形玻璃砖(圆心为O)放在白纸上，它的直边与直线MN对齐，在垂线AB上插两枚大头针P1和P2，然后半圆柱形玻璃砖的右侧插上适量的大头针，可以确定光线P1P2通过玻璃砖后的光路，从而求出玻璃的折射率．实验室中提供的器材除了半圆柱形玻璃砖、木板和大头针外，还有量角器等．(1)为了确定光线P1P2通过玻璃砖后的光路，在玻璃砖的右侧，至少应插________枚大头针．(2)请在半圆柱形玻璃砖的右侧估计所插大头针的可能位置，并用“×”表示，作出光路图．为了计算折射率，应该测量的量(在光路图上标出)有：__________________，计算折射率的公式是________．答案：(1)1　(2)光路图如图(光在圆弧面上D点发生折射，法线为OD所在直线)　入射角θ2和折射角θ1　n＝