高中物理选修34优质学案实验测定玻璃的折射率.docx
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高中物理选修34优质学案实验测定玻璃的折射率
实验:
测定玻璃的折射率
[学科素养与目标要求]
物理观念:
1.知道测定玻璃的折射率的原理、方法、步骤.2.知道实验误差产生的原因和减小误差的方法.
科学思维:
1.会画光路图.2.会确定入射光线和折射光线,并会测定入射角和折射角.3.会计算折射率及折射率的平均值.
科学探究:
掌握测定玻璃折射率的方法,学会规范作图,在测定玻璃的折射率实验中训练并提高作图能力.
一、实验原理
用插针法确定光路,找出与入射光线相应的出射光线,就能在玻璃砖中画出对应的折射光线,从而可以测出一组对应的入射角和折射角,根据折射定律,便可求出玻璃的折射率.
二、实验器材
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉(3~4枚)、量角器、直尺、铅笔.
三、操作步骤
1.把白纸用图钉钉在木板上.
2.用直尺画一条平行于玻璃砖一个面的一条线aa′作为界面,过aa′上一点O作垂直于aa′的直线NN′作为法线,过O点画一条入射光线AO,使入射角θ1适当大些,如图1所示.
图1
3.在AO线上竖直地插两枚大头针P1、P2,在白纸上放上被测玻璃砖,使玻璃砖的一个面与aa′重合.
4.沿玻璃砖的另一侧面用直尺画一条直线bb′.
5.在玻璃砖的bb′一侧白纸上竖直地立一枚大头针P3,调整视线,同时移动大头针P3的位置,当P3恰好能同时挡住玻璃砖aa′一侧所插的大头针P1、P2的像时,把大头针P3插好.
6.在玻璃砖bb′一侧再竖直地插一枚大头针P4,使P4能挡住P3本身,同时也能挡住P1、P2的像.
7.记下P3、P4的位置,移去玻璃砖,拔去大头针,过P3、P4连一条直线BO′交bb′于O′点,连接OO′,OO′就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线,折射角为θ2.
8.用量角器量出入射角θ1和折射角θ2的大小.
9.改变入射角θ1,重复上面的步骤再做三、四次,量出相应的入射角和折射角.
四、数据处理
1.计算法:
通过多次测量入射角和折射角,得出多组入射角和折射角的正弦值,再代入n=
中求出多个n的值,然后取其平均值,即为玻璃砖的折射率.
2.单位圆法
(1)以入射点O为圆心,以一定长度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′,分别交NN′于点H、H′,如图2所示.
图2
(2)由图中关系知sinθ1=
,sinθ2=
,OE=OE′=R,则n=
=
,只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n.
(3)图象法:
求出多组对应的入射角与折射角的正弦值,作出sinθ1-sinθ2图象,由n=
可知图象应为直线,如图3所示,其斜率为折射率.
图3
五、注意事项
1.实验中,玻璃砖在纸上的位置不可移动.
2.不能用手触摸玻璃砖光洁的光学面,更不能把玻璃砖当尺子用.
3.大头钉应竖直插在白纸上,且玻璃砖每一侧两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应适当大些,以减小确定光路方向时造成的误差.
4.实验中入射角不宜过小或过大,否则会使测量误差增大.
一、实验原理与操作
例1 (2018·大兴区高二检测)“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4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.
图4
(1)在插P3和P4时,应使________(选填选项前的字母).
A.P3只挡住P1的像
B.P4只挡住P3
C.P3同时挡住P1、P2的像
D.P4挡住P3及P1、P2的像
(2)按
(1)中的做法确定大头针P3和P4的位置,请将光路图补充完整,并在图中标出需要测量的量,则玻璃砖的折射率可表示为n=________.(用图中标出的测量量表示)
[答案]
(1)CD
(2)见[解析]图(需要测量的量是图中i和r)
[解析]
(1)实验的过程中,要先在白纸上放好玻璃砖,在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在玻璃砖另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,使P4挡住P3和P1、P2的像,故C、D正确.
(2)光路图如图所示,根据折射定律可知需要测量入射角和折射角,即测量的量是图中i和r.由折射定律有n=
.
[学科素养] 本实验关键是找出对应入射光线的出射光线,从而画出光在玻璃中的折射光线.考察了对实验原理的理解、实验操作的把握和数据的处理,体现了“物理观念”、“科学思维”和“实验探究”的学科素养.在实验过程中要保持认真严谨的态度,又体现了“科学态度与责任”的学科素养.
针对训练 (多选)在用两面平行的玻璃砖测定玻璃折射率的实验中,其实验光路图如图5所示,对实验中的一些具体问题,下列说法正确的是( )
图5
A.为了减小作图误差,P3和P4的距离应适当大一些
B.为减小测量误差,P1、P2连线与玻璃砖界面法线的夹角应适当取大一些
C.若P1、P2的距离较大时,通过玻璃砖会看不到P1、P2的像
D.实验中为方便操作可用玻璃砖代替尺子画线
[答案] AB
[解析] 实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且P1与P2之间,P2与O点之间,P3与P4之间,P3与O′点之间距离要稍大一些.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,也不宜太小.实验中严禁用玻璃砖代替尺子画线.
二、实验数据处理及误差分析
例2 在“测定玻璃的折射率”实验中,某同学经正确的操作,插好了4枚大头针P1、P2和P3、P4,如图6所示.
图6
(1)在图中坐标纸上画出完整的光路图,并标出入射角θ1和折射角θ2;
(2)对画出的光路图进行测量,求出该玻璃的折射率n=________(结果保留两位有效数字).
[答案]
(1)如图所示
(2)1.4(1.2~1.6)
例3 在用插针法测定玻璃折射率的实验中,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7中①和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:
图7
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] 偏小 不变
[解析] 用题图①测定折射率时,玻璃中折射角测量值大于实际值,故折射率偏小;用题图②测定折射率时,只要操作正确,折射率与玻璃砖形状无关.
三、其他形状玻璃砖求折射率
“测定玻璃折射率”实验中,也可以用三棱镜、半圆形玻璃砖等进行测量.实验中只要利用“插针法”定出入射光线和出射光线,其与界面的交点就是入射点和出射点,连接入射点和出射点就能作出折射光线,一样可以测出折射率.光路图如图8所示.
图8
例4 用三棱镜做测定玻璃的折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插入两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,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P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P1、P2的像和P3,在纸上标出大头针的位置和三棱镜轮廓,如图9所示.
图9
(1)在图上画出所需的光路图.
(2)为了测出该三棱镜的折射率,需要测量的物理量是________,在图上标出它们.
(3)计算折射率的公式是n=________.
[答案] 见[解析]
[解析]
(1)光路图如图所示,画出通过P1、P2的入射光线,交AC于O,画出通过P3、P4的出射光线交AB于O′,连接OO′,则光线OO′就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线.
(2)在所画的图上画出虚线部分,并注明入射角θ1和折射角θ2,用量角器量出θ1和θ2(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度).
(3)n=
(或因为sinθ1=
,sinθ2=
,
则n=
=
)
1.(实验原理与操作)(多选)某同学用“插针法”做测定玻璃折射率实验时,他的方法和操作步骤都正确无误,但他处理实验记录时,发现玻璃砖的两个光学面aa′和bb′不平行,如图10所示,则( )
图10
A.P1P2与P3P4两条直线平行
B.P1P2与P3P4两条直线不平行
C.他测出的折射率偏大
D.他测出的折射率不受影响
[答案] BD
[解析] 光线由aa′进入玻璃砖时,由折射定律得n=
,光线由bb′射出玻璃砖时,由折射定律得n=
.若aa′//bb′,则有θ3=θ2,进而有θ1=θ4,出射光线O′B与入射光线OA平行.若aa′和bb′不平行,则有θ3≠θ2,进而有θ1≠θ4,出射光线O′B与入射光线AO不平行,故选项B正确,A错误;在用“插针法”测玻璃的折射率时,只要实验方法正确,光路准确无误,结论必定是正确的,玻璃的折射率不会受玻璃砖形状的影响,选项D正确,C错误.
2.(实验原理与操作)在测定玻璃的折射率的实验中,对一块两面平行的玻璃砖,用插针法找出与入射光线对应的出射光线,现在甲、乙、丙、丁四位同学分别做出如图11所示的四组插针结果.
图11
(1)从图上看,肯定把大头针插错了的同学是________.
(2)从图上看,测量结果准确度最高的同学是________.
[答案]
(1)甲、乙
(2)丁
3.(实验数据处理)(2018·金华一中高二上学期第二次段考)在“测定玻璃的折射率”实验中,某同学经正确操作插好了4枚大头针,如图12所示.
图12
(1)请在图13中画出完整的光路图.
图13
(2)对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).
(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象,某同学做了两次实验,经正确操作插好了8枚大头针,如图14所示.图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针,其对应出射光线上的2枚大头针是P3和________(填“A”或“B”).
图14
[答案]
(1)如图所示
(2)1.53(说明:
±0.03范围内均可) (3)A
[解析]
(1)分别连接玻璃砖两侧的大头针所在的点并延长,与玻璃砖两平行边分别相交,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的传播线路.光路图如图所示.
(2)设方格纸上正方形的边长为1,光线的入射角为θ1,折射角为θ2,则sinθ1=
≈0.798,sinθ2=
≈0.521,所以该玻璃砖的折射率n=
=
≈1.53.
(3)由题图可知,光线P1P2入射到玻璃砖上时,相当于光线射到了一个三棱镜上,因此出射光线将向底边偏折,所以出射光线过P3和A.
4.(实验数据处理)如图15所示,某同学做“测定玻璃的折射率”实验时,完成光路图后,由于没有量角器,借助圆规以O为圆心画圆,该圆交入射光线于A点,交OO′连线延长线于C点.分别过A点、C点作法线NN′的垂线AB、CD交NN′于B点、D点,请用刻度尺测量并计算得到此种玻璃的折射率n=________.(结果保留两位有效数字)
图15
[答案] 1.5
[解析] 由折射定律有n=
=
=
,测得AB=1.13cm、CD=0.73cm,代入数据解得n≈1.5.
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- 高中物理 选修 34 优质 实验 测定 玻璃 折射率