2017-2018学年高中物理第四章光的折射第2讲学生实验：测定玻璃的折射率学案教科版.docx

第2讲学生实验：测定玻璃的折射率目标定位1.通过实验了解平行玻璃砖的光学性质.2.会用“插针法”测定玻璃的折射率一、实验器材两对面平行的玻璃砖一块、大头针四枚、白纸一张、直尺一把或三角板一个、量角器一个二、实验原理如图1所示，当光线AB以一定入射角i穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AB对应的出射光线CD，从而画出折射光线BC，量出折射角r，再根据n算出玻璃的折射率图1一、实验步骤1如图1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EE作为两种介质的分界面，过EE上的一点B画出界面的法线NN，并画一条线段AB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EE对齐，画出玻璃砖的另一边FF.4在直线AB上竖直插上两枚大头针G1、G2，透过玻璃砖观察大头针G1、G2的像，调整视线方向直到G2的像挡住G1的像再在观察者一侧竖直插上两枚大头针G3、G4，使G3挡住G1、G2的像，G4挡住G3本身及G1、G2的像，记下G3、G4的位置5移去大头针和玻璃砖，过G3、G4所在处作直线CD与FF交于C，直线CD就代表了沿AB方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向6连接BC，入射角iABN，折射角rCBN，用量角器量出i和r，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用上述方法测出入射角分别为15、30、45、60、75时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中8算出不同入射角下的正弦比值，最后求出在几次实验中比值的平均值，即为玻璃砖的折射率9数据处理(1)作图法：为了减小误差，可以用作图法求出折射率，改变不同的入射角i，测出不同的折射角r，以sin r为横坐标，sin i为纵坐标，做出sin isin r图像，由n可知图像应为直线，则直线的斜率就表示玻璃的折射率(2)直尺圆规测量法：如图2所示，以B点为圆心，以一定长R为半径，画一个圆交入射光线于G点，交折射光线BC于G，过G做NN的垂线GH，过G做NN的垂线GH，如图所示，sin i，sin r，BGBGR，则n.只要用刻度尺测出GH、GH的长度就可以求出n.图2例1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P1、P2和P3、P4，如图3所示(1)在坐标纸上画出完整的光路图，并标出入射角i和折射角r；(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_(保留两位有效数字)图3解析(1)根据光线通过平行玻璃砖，经玻璃砖折射，入射光线和折射光线将保持平行，那么将入射光线P1P2与玻璃砖上边界的交点作为入射点，过入射点作上边界的垂线作为法线，则可标出入射角i，将出射光线P3P4与玻璃砖下边界的交点作为出射点，将入射点与出射点用一直线连接，这一直线就是折射光线，即可标出折射角r.(2)由折射率n，据坐标纸中的格子数，可知sin i，sin r，那么折射率n1.4.答案(1)如图所示(2)1.4针对训练某同学由于没有量角器，他在完成了光路图后，以O点为圆心，10 cm为半径画圆，分别交线段OA于A点，交线段OO的延长线于C点，过A点作法线NN的垂线AB交NN于B点，过C点作法线NN的垂线CD交NN于D点，如图4所示用刻度尺量得OB8 cm，CD4 cm，由此可得出玻璃的折射率n_.图4解析由题图可知sin AOB，sin DOC，OAOCR，根据n知，n1.5.答案1.5二、实验注意事项1实验中，玻璃砖在白纸上位置不可移动2不能用手触摸玻璃砖光洁面，更不能把玻璃砖当尺子用3大头针应竖直插在白纸上，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，否则会使测量误差大，也不宜过大5本实验中如果采用的不是两面平行的玻璃砖，而是采用三棱镜、半圆形玻璃砖等，那么只是出射光线和入射光线不平行，同样能测出折射率例2在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，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5、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，则：图5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”)丙同学测得的折射率与真实值相比_解析用图测定折射率时，玻璃中折射光线偏折大了，所以折射角增大，折射率减小；用图测定折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关；用图测定折射率时，无法确定折射光线偏折的大小，所以测得的折射率可大、可小、可不变答案偏小不变可能偏大、也可能偏小、还可能不变实验原理与数据处理1.用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，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P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图6所示图6(1)在本题的图上画出所需的光路图；(2)为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是_、_，在图上标出它们；(3)计算折射率的公式是_解析(1)如图所示，画出通过P1、P2的入射光线，交AC面于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O.则光线OO就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线(2)在所画的图上注明入射角i和折射角r，并画出虚线部分，用量角器量出i和r(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度)(3)n(或因为sin i，sin r，则n)答案见解析注意事项与误差分析2(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7所示，对实验中的一些具体问题，下列说法正确的是()图7A为了减少作图误差，P3和P4的距离应适当取大些B为减少测量误差，P1、P2连线与法线NN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若P1、P2连线与法线NN间夹角较大时，有可能在bb一侧就看不到P1、P2的像解析实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间，P2与O点之间，P3与P4之间，P3与O之间距离要稍大一些入射角应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，也不宜太小在操作时，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答案AB题组一注意事项与误差分析1.(多选)某同学用插针法测定玻璃砖的折射率他的实验方法和操作步骤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与bb不平行，如图1所示则下列说法正确的是()图1AP1P2与P3P4两条直线平行BP1P2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BD2在利用插针法测定玻璃折射率的实验中：(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa和bb后，不小心碰了玻璃砖使它向aa方向平移了少许，如图2甲所示则他测出的折射率将_(填“偏大”“偏小”或“不变”)(2)乙同学在画界面时，不小心将两界面aa、bb间距画得比玻璃砖宽度大些，如图乙所示，则他测得的折射率_(填“偏大”“偏小”或“不变”)图2解析(1)如图所示，甲同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角、折射角没有受到影响，因此测得的折射率将不变(2)如图所示，乙同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小答案(1)不变(2)偏小题组二实验原理、步骤与数据处理3(多选)某同学做测定玻璃折射率实验时，用他测得的多组入射角i与折射角r，作出sin isin r图像如图3所示，下列判断中正确的是()图3A他做实验时，光线是由空气射入玻璃的B玻璃的折射率为0.67C玻璃的折射率约为1.5D当测得入射角为60时，则折射角为30解析由题图可知入射角大于折射角，故选项A对；任何介质的折射率都大于1，故选项B错；由折射率公式n，可得n1.5，故选项C对；由n得sin r，r30，故D错答案AC4测定玻璃砖折射率的实验如图4所示，把玻璃砖放在白纸上之前应在纸上先画好图上的三条直线，它们分别是_、_、_，最后按正确的要求插上大头针P3、P4，由P3、P4的位置决定了光线_的方向，从而确定了折射光线_的方向图4答案aNNAOOBOO5用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率，O为玻璃截面的圆心，使入射光线跟玻璃砖的平面垂直，如图5所示的四个图中P1、P2、P3和P4是四个学生实验插针的结果图5(1)在这四个图中肯定把针插错了的是_(2)在这四个图中可以比较准确地测出折射率的是_计算玻璃的折射率的公式是_解析如图所示，将P1P2看做入射光线，P3P4看做出射光线，由题图知，入射光线与界面垂直，进入玻璃砖后，在玻璃砖内传播方向不变，由作出的光路图可知选项A、C错误；而选项B中光路虽然正确，但入射角和折射角均为零，测不出折射率，只有选项D能比较准确地测出折射率，角度如图，其折射率：n.答案(1)A、C(2)Dn6一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的(光线不能通过该表面)现要测定此玻璃砖的折射率给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚(P1、P2、P3、P4)、带有刻度的直角三角板、量角器图6实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直在纸上画出直线aa和bb，aa表示镀银的玻璃表面，bb表示另一表面，如图6所示然后，在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2(位置如图)用P1、P2的连线表示入射光线(1)为了测量折射率，应如何正确使用大头针P3、P4？试在图中标出P3、P4的位置(2)然后，移去玻璃砖与大头针试在图中通过作图的方法标出光线从空气射到玻璃中的入射角i与折射角r.简要写出作图步骤(3)写i、r表示的折射率公式为n_.解析(1)在bb一侧观察P1、P2的像(经bb折射，aa反射，再从bb折射出来)，在适当位置插上P3，使得P3与P1、P2的像在一条直线上，即让P3挡住P1、P2的像；再插上P4，让它挡住P1、P2的像和P3，P3、P4的位置如图所示(2)过P1、P2作直线与bb交于O；过P3、P4作直线与bb交于O；利用刻度尺找到OO的中点M；过O点作bb的垂线CD，过M点作bb的垂线，与aa交于N，连接ON；P1ODi，CONr.(3)玻璃砖的折射率n.答案见解析7某同学在测定一厚度均匀的圆形玻璃的折射率时，先在白纸上作一与圆形玻璃同半径的圆，圆心为O，将圆形玻璃平放在白纸上，使其边界与所画的圆重合在玻璃一侧竖直插两枚大头针P1和P2，在另一侧再先后插两枚大头针P3和P4，使从另一侧隔着玻璃观察时，大头针P4、P3和P2、P1的像恰在一直线上移去圆形玻璃和大头针后，在图7中画出：图7(1)沿P1、P2连线方向的入射光线通过圆形玻璃后的传播方向；(2)光线在玻璃内的传播方向；(3)过光线的入射点作法线，标出入射角i和折射角r；(4)写出计算圆形玻璃折射率的公式解析(1)P1P2为入射光线，P3P4为通过圆形玻璃后的折射光线(2)O1O2为入射光线P1P2在玻璃中的折射光线(3)如图所示(4)