2019年高考物理一轮复习第十四章机械振动与机械波光电磁波与相对论实验十五测定玻璃的折射率学案.doc

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1、1实验十五 测定玻璃的折射率1实验原理如图 1 所示，当光线 AO 以一定的入射角 1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 2，再根据 n或 n 计算出玻璃的折射率sin 1sin 2 PNQN图 12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实验步骤(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 NN.(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

2、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 P3和P1、 P2的像(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得线段 OO.2(7)用量角器测量入射角 1和折射角 2，并查出其正弦值 sin 1和 sin 2.(8)改变入射角，重复实验，算出不同入射角时的 ，并取平均值sin 1sin 21数据处理(1)计算法：用量角器测量入射角 1和折射角 2

3、，并查出其正弦值 sin 1和 sin 2.算出不同入射角时的 ，并取平均值sin 1sin 2(2)作 sin 1sin 2图象：改变不同的入射角 1，测出不同的折射角 2，作sin 1sin 2的图象，由 n 可知图象应为直线，如图 2 所示，其斜率为折射sin 1sin 2率图 2(3)“单位圆”法确定 sin 1、sin 2，计算折射率 n.以入射点 O 为圆心，以一定的长度 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 3 所示，sin 1 ，sin 2 ， OE OE R，则 n .只要用刻度

4、尺量出EHOE E HOE sin 1sin 2 EHE HEH、 E H的长度就可以求出 n.图 32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另一边 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，且玻璃砖每两枚大头针 P1与 P2间、 P3与 P4间的距离应大3一点，以减小确定光路方向时造成的误差(4)实验时入射角不宜过小，否则会使测量误差过大，也不宜过大，否则在 bb一侧将看不到 P1、 P2的像.命题点一 教材原型实验例 1 如图 4 所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率在平

5、铺的白纸上垂直纸面插大头针 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 为分界线，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 点图 4(1)设 AB 的长度为 l1， AO 的长度为 l2， CD 的长度为 l3， DO 为的长度为 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

6、玻璃砖的折射率将_(选填“偏大” “偏小”或“不变”)答案 (1) l1和 l3 n (2)偏大l1l3解析 (1)sin 1 ，sin 2 ，因此玻璃的折射率 n ，因此只需l1BO l3CO sin 1sin 2l1BOl3CO l1l3测量 l1和 l3即可(2)当玻璃砖顺时针转过一个小角度时，在处理数据时，认为 l1是不变的，即入射角不变，而 l3减小，所以测量值 n 将偏大l1l341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 5 所示图 5(1)此玻璃的折射率计算式为 n_(用图中的 1、 2表示)(2)如果有几块宽度大小

7、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”)的玻璃砖来测量答案 (1) (2)大cos 1cos 2(或 sin 90 1sin 90 2)解析 (1)光线由空气射入玻璃的入射角 i90 1，折射角 r90 2，由折射率的定义可得： n ，根据平行玻璃砖对光线的影响可知，玻sinisinr sin90 1sin90 2 cos 1cos 2璃砖宽度越大，侧移量越大，折射角的测量误差越小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 6、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

8、们的其他操作均正确，且均以 aa、 bb为界面画光路图图 6(1)甲同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大” “偏小”或“不变”)(2)乙同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大” “偏小”或“不变”)(3)丙同学测得的折射率与真实值相比_答案 (1)偏小 (2)不变(3)可能偏大、可能偏小、可能不变解析 (1)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，折射率变小；5(2)用图测定折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关；(3)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能偏大、可能偏小、可能不变命题点二 实验拓展创新例 2 某同学测量玻璃砖的折射率，准备

9、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 7 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20.00cm， AB 间的距离为 6.00cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离 d110.00cm，玻璃砖厚度 d24.00cm.玻璃的折射率 n_，光在玻璃中传播速度 v_m/s(光在真空中传播速度 c3.010 8 m/s，结果均保留两位有效数字)图 7答案 1.2 2.510 8解析 作出光路图如图所示，根据几何知识可得入射角 i45，折射角 r37，故折射率 n 1.2，故 v

10、2.510 8 m/s.sin isin r cn3某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率(如图 8 所示)实验的主要过程如下：图 8A把白纸用图钉钉在木板上，在白纸上作出直角坐标系 xOy，在白纸上画一条线段 AO 表示入射光线B把半圆形玻璃砖 M 放在白纸上，使其底边 aa与 Ox 轴重合C用一束平行于纸面的激光从 y0 区域沿 y 轴负方向射向玻璃砖，并沿 x 轴方向调整玻6璃砖的位置，使这束激光从玻璃砖底面射出后，仍沿 y 轴负方向传播D在 AO 线段上竖直地插上两枚大头针 P1、 P2.E在坐标系 y0 的区域内竖直地插上大头针 P3，并使得从 P3一侧向玻璃砖方向看去， P3能同时挡

11、住 P1和 P2的像F移开玻璃砖，连接 O、 P3，用圆规以 O 点为圆心画一个圆(如图中虚线所示)，此圆与 AO线交点为 B，与 OP3线的交点为 C.确定出 B 点到 x 轴、 y 轴的距离分别为 x1、 y1， C 点到 x轴、 y 轴的距离分别为 x2、 y2.(1)若实验中该同学没有将玻璃砖的底边 aa与 Ox 轴重合，而是向 y0 方向侧移了一些，这将导致所测的玻璃折射率与其真实值相比_(选填“偏大” “不变”或“偏小”)(2)若实验中该同学在 y0 的区域内，从任何角度都无法透过玻璃砖看到 P1、 P2，为能透过玻璃砖看到 P1、 P2，应采取的措施是：_.答案 见解析解析 (1

12、)折射率 n ，玻璃砖的底边 aa与 Ox 轴未重合而向 y0 方向侧移了一些，导x2x1致测量的 x2偏大， x1偏小，所以玻璃的折射率的测量值与真实值相比偏大；(2)在 y0 的区域内，从任何角度都无法透过玻璃砖看到 P1、 P2，说明光线 AO 在界面aa上发生了全反射应该减小光线 AO 的入射角4.某同学用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率开始玻璃砖的位置如图 9 中实线所示，使大头针 P1、 P2与圆心 O 在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心 O 缓慢转动，同时在玻璃砖的直径边一侧观察 P1、 P2的像，且 P2的像挡住 P1的像如此观察，当

13、玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失此时只需测量出_，即可计算出玻璃砖的折射率请用你测量的量表示出折射率n_.图 9答案 玻璃砖直径边绕 O 点转过的角度 1sin解析 玻璃砖转动时，射在其直径所在平面内的光线的入射角增大，当增大到等于临界角7 时，发生全反射现象因 sin ，可见只要测出临界角即可求得折射率 n，而 和1n玻璃砖直径绕 O 点转过的角度相等，因此只要测出玻璃砖直径边绕 O 点转过的角度即可5小明同学设计了一个用刻度尺测半圆形玻璃砖折射率的实验，如图 10 所示，他进行的主要步骤是：图 10A用刻度尺测玻璃砖的直径 AB 的大小 d.B先把白纸固定在木板上，将玻璃砖水平放

14、置在白纸上，用笔描出玻璃砖的边界，将玻璃砖移走，标出玻璃砖的圆心 O、直径 AB、 AB 的法线 OC.C将玻璃砖放回白纸的原处，长直尺 MN 紧靠 A 点并与直径 AB 垂直放置D调节激光器，使 PO 光线从玻璃砖圆弧面沿半径方向射向圆心 O，并使长直尺 MN 的左右两侧均出现亮点，记下左侧亮点到 A 点的距离 x1，右侧亮点到 A 点的距离 x2.则：(1)小明利用实验数据计算此玻璃砖折射率的表达式为 n_.(2)关于上述实验，以下说法正确的是_A在 BOC 的范围内，改变入射光线 PO 的入射角，直尺 MN 上可能只出现一个亮点B左侧亮点到 A 点的距离 x1一定小于右侧亮点到 A 点的

15、距离 x2C左侧亮点到 A 点的距离 x1一定大于右侧亮点到 A 点的距离 x2D要使左侧亮点到 A 点的距离 x1增大，应减小入射角答案 (1) (2)ABDd2 4x2d2 4x21解析 (1)设光线在 AB 面上的入射角为 ，折射角为 ，根据几何关系有：sin ，sin .则折射率 n .d2d22 x2d2d22 x21 sinsin d2 4x2d2 4x21(2)当入射角大于等于发生全反射的临界角时，只有反射没有折射，则直尺 MN 上只出现一个亮点，故 A 正确光从玻璃射入真空，折射角大于入射角，通过几何关系知， x1x2，故B 正确，C 错误减小入射角，则折射角减小， x1增大，故 D 正确