2020版高考物理总复习第十四章第5节实验：测定玻璃的折射率教学案新人教版.docx

第5节实验：测定玻璃的折射率 用双缝干涉测光的波长夯实基础【p247】一、实验“测定玻璃的折射率”1实验目的测定玻璃的折射率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实验原理折射率公式n_4实验步骤(1)把白纸用图钉钉在木板上(2)在白纸上画一条直线aa作为界面，画一条线段AO作为_入射光线_，并过O点画出界面aa的法线NN.(3)把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一条边跟aa对齐，并画出玻璃砖的另一个长边bb.(4)在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1、P2.(5)在玻璃砖的bb一侧竖直地插上大头针P3，用眼睛观察调整视线要使P3能同时挡住_P1和P2的像_(6)同样地在玻璃砖的bb一侧再竖直地插上大头针P4，使P4能挡住P3本身和P1、P2的像(7)记下P3、P4的位置，移去玻璃砖和大头针，过P3、P4引直线OB与bb交于O点，连接OO，OO就是玻璃砖内的折射光线的方向，入射角1_AON_，折射角2_OON_(8)用量角器量出入射角1和折射角2的度数(9)从三角函数表中查出入射角和折射角的正弦值，记入自己设计的表格里(10)用上面的方法分别作出入射角是30、45、60时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值，把这些数据也记在表格里(11)算出不同入射角时的值，比较一下，看它们是否接近一个常数，求出几次实验中所测的平均值，这就是玻璃的折射率(12)也可用如下方法求折射率n.用圆规以O为圆心，任意长为半径画圆，交入射线于P点，交折射线于Q点；过P作法线的垂线，交于N，过Q作法线的垂线，交于N；用刻度尺分别测出PN和QN之长，则n.5注意事项(1)用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的两个边aa、bb.(2)实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动(3)大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两枚大头针P1和P2间、P3和P4间的距离应_尽量大一些_，以减少确定光路方向时造成的误差(4)实验时入射角不宜_过小_，否则会使入射角和折射角的值偏小，增大测量误差；入射角也不宜_过大_，否则在bb一侧要么看不到P1、P2的虚像，要么看到P1、P2的像模糊不清，并且变粗，不便于_插大头针P3、P4_(5)由于要多次改变入射角的大小重复实验，所以入射光线与出射光线要一一对应编号，以免混乱二、用双缝干涉测量光的波长1实验目的观察干涉图样，测定光的波长2实验器材双缝干涉仪(包括光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头)、刻度尺3实验原理双缝干涉中相邻两条明(暗)条纹间的距离x与波长、双缝间距离d及双缝到屏的距离L满足x_因此，只要测出x、d和L，即可求出波长.4实验步骤(1)观察双缝干涉图样将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示接好光源，打开开关，使灯丝正常发光调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏安装单缝和双缝，使双缝与单缝的缝_平行_，二者间距_510_cm_观察白光的干涉条纹在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹(2)测定单色光的波长安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1，转动手轮，使分划板中心刻线移动，记下移动的条纹数n和移动后手轮的读数a2，a1与a2之差即n条亮纹的间距用刻度尺测量_双缝到光屏间距离L_(d是已知的)重复测量、计算，求出波长的平均值换用不同滤光片，重复实验测量其他单色光的波长5注意事项(1)安装器材时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的_中心轴线上_，并使单缝、双缝_平行且竖直_(2)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近(3)调节的基本依据是：照在屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝、测量头、遮光筒不共轴所致，干涉条纹不清晰的主要原因是单缝与双缝不平行(4)光波波长很短，x、L的测量对波长的影响很大，L用毫米刻度尺测量，x利用测量头测量可测多条亮纹间距再求x，采用多次测量求的平均值法，可减小误差【p248】考点突破例1如图所示，某同学利用方格坐标纸测定半圆形玻璃砖的折射率，OA是画在纸上的直线，他在直线OA适当位置先后竖直插上P1、P2两枚大头针，如图所示放上玻璃砖(如粗黑线所示)，然后插上P3、P4大头针(1)其中他确定P3大头针位置的方法是_(2)若该同学实验操作规范准确，其记录的情况如图所示该同学还用圆规做了一个以O为圆心，半径与玻璃砖相同的半圆(如图中虚线所示)请算出玻璃砖的折射率n_(3)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖绕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”或“不变”)【解析】(1)透过玻璃砖看，P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像；(2)如图，作出法线，过圆与入射光线与折射光线的交点作法线的垂线CA和DB，由数学知识得：入射角和折射角的正弦值分别为sin i，sin r，其中，CODO，则折射率n1.5；(3)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，折射光线将顺时针转动，而作图时仍以转动前玻璃砖直线边缘为边界，AB为法线，则入射角i不变，折射角r增大，由折射率公式n可知，测得玻璃砖的折射率将偏大【答案】(1)透过玻璃砖看，使P3挡住P1、P2的像(2)1.5(3)偏大针对训练1如图所示，某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa和bb.O为直线AO与aa的交点在直线OA上竖直地插上P1、P2两枚大头针(1)该同学接下来要完成的必要步骤有_BD_A插上大头针P3，使P3仅挡住P2的像B插上大头针P3，使P3挡住P1的像和P2的像C插上大头针P4，使P4仅挡住P3D插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像(2)过P3、P4作直线交bb于O，过O作垂直于aa的直线NN，连接OO测量图中角和的大小则玻璃砖的折射率n_(3)如果在实验过程中不小心将玻璃砖向上平移了一些，bb移到图中虚线位置，而在作光路图时aa不变，则所测得的折射率将_偏大_(填“偏大”“偏小”或“不变”)(4)若所使用的玻璃砖的bb与aa不平行，其他操作无误，则所测得的折射率将_不变_(填“偏大”“偏小”或“不变”)【解析】(1)确定P3大头针的位置的方法是插上大头针P3，使P3挡住P1、P2的像确定P4大头针的位置的方法是插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像，A、C错误，B、D正确(2)如图，光线在aa面的折射角为，折射角为，则根据折射定律得：玻璃砖的折射率n.(3)如果在实验过程中不小心将玻璃砖向上平移了一些，bb移到图中虚线位置，而在作光路图时aa不变，作出光路图：线表示作图时所用的光路，线表示实际的光路，可见，测量得到的入射角没有变化，而折射角偏小，根据折射率公式n可知，所测得的折射率将偏大(4)测折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关所以若所使用的玻璃砖的bb边与aa不平行(如图所示)，其他操作无误，则所测得的折射率将不变【p248】考点突破例2如图甲所示，在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，并选用缝间距d0.20 mm 的双缝屏从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L700 mm.然后，接通电源使光源正常工作(1)已知测量头上主尺的最小刻度是毫米，副尺(游标尺)上有20分度某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，使分划板中心刻度线与某条纹A中心对齐，如图乙所示，此时测量头上主尺和副尺的示数情况如图丙所示，此示数为_ mm；接着再转动手轮，使分划板中心刻度线与某条纹B中心对齐，测得A到B条纹间的距离为8.40 mm.利用上述测量结果，经计算可得经滤光片射向双缝的色光的波长_ m(保留2位有效数字)(2)另一同学按实验装置安装好仪器后，观察到光的干涉现象效果很好若他对实验装置作了一下改动后，在像屏上仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加以下改动可能实现这个效果的是_A仅将滤光片移至单缝和双缝之间 B仅将单缝远离双缝移动少许C仅将单缝与双缝的位置互换 D仅将红色滤芯光片换成绿色的滤芯光片【解析】(1)图中游标卡尺的主尺的刻度为0，游标尺的第5刻度与上边对齐，则读数为：0 mm0.0550.25 mm；A到B条纹间的距离为8.40 mm，由图可以知道A到B条纹间的距离为5个条纹宽度，则：x mm1.68 mm；根据公式x得： mm4.8107 m(2)对实验装置作了一下改动后，在像屏上仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加，可以知道各条纹的宽度减小，由公式得：x，仅将滤光片移至单缝和双缝之间，、L与d都不变，则x不变，A错误；仅将单缝远离双缝移动少许，、L与d都不变，则x不变，B错误；仅将单缝与双缝的位置互换，将不能正常观察双缝干涉，C错误；仅将红色滤光片换成绿色的滤光片，减小，L与d都不变，则x减小，D正确【答案】(1)0.254.8107(2)D针对训练2用双缝干涉测光的波长，实验装置如图甲所示用测量头来测量亮纹中心的距离测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准亮纹的中心(如图乙所示)，记下此时手轮上的螺旋测微器读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数(1)分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时，手轮上的读数如图丙所示，则对准第1条时读数x1_2.190_ mm(允许误差)、对准第4条时读数x2_7.868_ mm(允许误差)(2)已知单缝与双缝的距离L160 mm，双缝与屏的距离L2700 mm，单缝宽d10.10 mm，双缝间距d2为0.25 mm，写出计算波长的表达式，_(用x1、x2、L1、L2、d1、d2表示)求得所测红光波长为_676_ nm.(3)在屏上观察到了干涉条纹如果将双缝的间距变大，则屏上的干涉条纹的间距将变_小_(填“大”或“小”)【解析】(1)图丙中左边螺旋测微器的固定刻度读数为2.0 mm，可动刻度读数为0.0119.0 mm0.190 mm，则最终读数为：x12 mm0.190 mm2.190 mm.右边的螺旋测微器的固定刻度读数为7.5 mm，可动刻度读数为0.0136.8 mm0.368 mm，则最终读数为：x27.5 mm0.368 mm7.868 mm；(2)由题得：相邻亮纹的间距x.根据双缝干涉条纹的间距公式x得：，由题意有：L2700 mm0.7 m，d20.25 mm2.5104 m，x1.892 mm1.892103 m，代入上式得： m6.76107 m676 nm.(3)根据x可知，将双缝的间距变大，则屏上的干涉条纹的间距将变小考 点 集 训【p364】1用图甲所示的实验装置，做“用双缝干涉测光的波长”实验：(1)某同学通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时，发现里面的两条纹与分划板中心刻线未对齐，如图乙所示，若要使两者对齐，该同学应如何调节_D_A仅左右转动透镜 B仅旋转单缝C仅旋转双缝 D仅旋转测量头(2)在实验中，双缝间距d0.5 mm，双缝与光屏间距离l0.5 m，用某种单色光照射双缝得到干涉图象如图丙，分划板在图中A、B位置时测量头上游标卡尺读数如图丁，则图丁中A位置的游标卡尺读数为_11.1_ mm，单色光的波长为_6.3107_ m(结果保留2位有效数字)【解析】(1)发现里面的亮条纹与分划板竖线未对齐，若要使两者对齐，该同学应调节测量头，故D正确(2)A位置游标卡尺的主尺读数为11 mm，游标读数为0.11 mm0.1 mm，所以最终读数为11.1 mm.B位置游标卡尺的主尺读数为15 mm，游标读数为0.15 mm0.5 mm，所以最终读数为15.5 mm.相邻两亮条纹的间距x mm0.63 mm.根据双缝干涉条纹的间距公式x得，x.代入数据得， m6.3107 m.2在用插针法测定玻璃砖的折射率的实验中，甲、乙、丙三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、和所示，其中甲、丙两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(1)甲同学测得的折射率与真实值相比_偏小_(填“偏大”“偏小”或“不变”)(2)乙同学测得的折射率与真实值相比_不变_(填“偏大”“偏小”或“不变”)(3)丙同学测得的折射率与真实值相比_可能偏大，可能偏小，可能不变_【解析】用插针法测定玻璃砖折射率的实验原理是折射定律n，运用作图法，作出光路图，确定折射光线的偏折情况，分析入射角与折射角的误差，从而来确定折射率的误差(1)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，可见折射角增大，则由折射定律n可知，折射率n将偏小；(2)图测折射率时，只要操作正确，测量的结果与玻璃砖的形状无关，故乙同学测得的折射率与真实值相比不变；(3)图测折射率时，折射角可能偏小，可能偏大，也可能不变，所以测得的折射率可能偏大、可能偏小，也可能不变3用圆弧状玻璃砖做测定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P1、P2，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P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2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，其中O为两圆弧圆心，图中已画出经P1、P2点的入射光线(1)在图上补画出所需的光路_见解析_(2)为了测出玻璃的折射率，需要测量入射角i和折射角r，请在图中的AB分界面上画出这两个角(3)用所测物理量计算折射率的公式为n_(4)为了保证在弧面CD得到出射光线，实验过程中，光线在弧面AB的入射角应适当_小一些_(填“小一些”“无所谓”或“大一些”)(5)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象，由图象可知该玻璃的折射率n_1.5_【解析】(1)连接P3、P4与CD交于一点，此交点即为光线从玻璃砖中射出的位置，由于P1、P2的连线与AB的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接两交点即可作出玻璃砖中的光路，如图所示(2)连接O点与光线在AB上的入射点即为法线，作出入射角和折射角如图中i、r所示(3)由折射定律可得n.(4)为了保证能在弧面CD上有出射光线，实验过程中，光线在弧面AB上的入射角应适当小一些，才不会使光线在CD面上发生全反射(5)图象的斜率kn，由题图乙可知斜率为1.5，即该玻璃的折射率为1.5.4如图所示，ABC为玻璃制成的三棱镜，某同学运用“插针法”来测量此三棱镜的折射率，在AB左边插入P1、P2二枚大头针，在AC右侧插入二枚大头针，结果P1、P2的像被P3挡住，P1、P2的像及P3被P4挡住现给你一把量角器，要求回答以下问题：(1)请作出光路图，并用所测量物理量(须在光路图中标明)表示三棱镜的折射率n_(2)若某同学在作出玻璃界面时，把玻璃右侧界面画成AC(真实界面为AC)，则此同学测量出三棱镜折射率比真实值_小_(填“大”“小”或“相等”)【解析】(1)光路图如图所示根据折射定律得，三棱镜的折射率n.(2)若某同学在作出玻璃界面时，把玻璃右侧界面画成AC(真实界面为AC)，由图可知，折射角2偏大，则此同学测量出三棱镜折射率比真实值小5利用图中装置研究双缝干涉现象，以测量红光的波长(1)本实验的步骤有：取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；用米尺测量双缝到屏的距离；用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离在操作步骤时应注意_使双缝与单缝平行(且均与线光源平行)_(2)第一次分划板中心刻度线对齐A条纹中心时如甲图所示，螺旋测微器的示数如丙图所示；第二次分划板中心刻度线对齐B条纹中心线时如乙图所示，螺旋测微器的示数如丁图所示已知双缝间距为0.5 mm，双缝到屏的距离为1 m，则丁图中螺旋测微器的示数为_5.380_ mm.所测光波的波长为_5.3107_ m(保留两位有效数字)【解析】(1)在操作步骤时还应注意使单缝与双缝相互平行，使一个线光源变为频率相等的两个线光源(2)丁图中螺旋测微器固定刻度读数为5.0 mm，可动刻度读数为38.00.010.380 mm，因此读数为5.380 mm.而丙图中螺旋测微器读数为1.135 mm；则相邻条纹间距为x mm1.06 mm；根据公式x，d0.5 mm，L1 m，所以 m5.3107 m.6某校开展研究性学习，某研究小组根据光学知识，设计了一个测液体折射率的仪器，如图所示在一个圆盘上，过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF.在半径OA上，垂直盘面插上两枚大头针P1、P2并保持位置不变每次测量时让圆盘的下半部分竖直浸入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2.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，就可以直接读出液体折射率的值(1)若AOF30，OP3与OC之间的夹角为45，则在P3处刻的刻度值为_(2)若在同一液体中沿AO方向射入一束白光，出射点P3最靠近OC边的是_紫_色的光，增大入射角度，_紫_色的光在刻度盘上先消失【解析】(1)由图可知，AOF是入射角，EOP3是折射角，但在定义折射率时光是从真空或空气射向介质的，所以用光路的可逆性转化可得n，代入数据可得n.(2)由于介质对紫光的折射率最大，所以紫光偏折得最多，故最靠近OC边的是紫光增大入射角，所有单色光的折射角增大，而紫光的折射角依然最大，故紫光在刻度盘上先消失7如图所示为测一块半球形玻璃砖的折射率的实验，实验的主要步骤如下：A将半球形玻璃砖放在白纸上，用铅笔画出它的直径AB，移走玻璃砖，并用刻度尺找出中点O，记下此点(即圆心)；B在圆弧侧的白纸上，作过O点且垂直直径AB的直线CO，放上玻璃砖，在CO上插两颗大头针P1和P2(距离适当远些)；C使玻璃砖以O为轴在白纸上缓慢地转动，同时眼睛向着AB透过玻璃砖观察P1和P2的像，当恰好看不到P1和P2的像时