2021届高考物理一轮复习 第13章 振动 波动 光 电磁波 相对论 实验20 测定玻璃的折射率课件

第十三章振动波动光电磁波相对论实验二十测定玻璃的折射率2一、实验目的1．测定玻璃的折射率。2．学会用插针法确定光路3二、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＝sinθ1sinθ2或n＝PNQN′计算出玻璃的折射率。4三、实验器材木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔。四、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MM′。53．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。66．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′。7．用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2。8．改变入射角，重复实验，算出不同入射角时的sinθ1sinθ2，并取平均值。7五、数据处理1．计算法：用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2。算出不同入射角时的sinθ1sinθ2，并取平均值。82．作sinθ1­sinθ2图象：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sinθ1­sinθ2的图象，由n＝sinθ1sinθ2可知图象应是过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率。93．“单位圆”法确定sinθ1、sinθ2，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AO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，sinθ1＝EHOE，sinθ2＝E′H′OE′，OE＝OE′＝R，则n＝sinθ1sinθ2＝EHE′H′。只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n。10六、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间的距离应大一点，以减小确定光路方向时造成的误差。114．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。122实验考向突破多唯13实验原理与操作1．(2019·郑州一中模拟)(1)几位同学做“用插针法测定玻璃折射率”实验，图示直线aa′、bb′表示在白纸上画出的玻璃砖的两个界面。几位同学进行了如下操作：14A．甲同学选定的玻璃砖两个光学面aa′与bb′不平行，其他操作正确B．乙同学在白纸上正确画出平行玻璃砖的两个界面aa′和bb′后，将玻璃砖向aa′方向平移了少许，其他操作正确C．丙同学在白纸上画aa′、bb′两界面时，其间距比平行玻璃砖两光学面的间距稍微大些，其他操作正确15上述几位同学的操作，对玻璃折射率的测定结果没有影响的是________(填写选项前的字母)。16(2)在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，已确定好入射方向AO，插了两枚大头针P1和P2，如图所示(①②③是三条直线)。在以后的操作说法中你认为正确的是________。A．在bb′侧调整观察视线，另两枚大头针P3和P4可能插在③线上B．保持O点不动，减小入射角，在bb′侧调整观察视线，另两枚大头针P3和P4可能插在①线上17C．保持O点不动，增大入射角，在bb′侧调整观察视线，看不清P1和P2的像，这可能是光在bb′侧面发生全反射18[解析](1)甲同学选定的玻璃砖两个光学面aa′和bb′不平行，不会影响入射角和折射角的确定；乙同学将玻璃砖向aa′方向平移了少许，直线aa′、bb′之间的距离仍然等于玻璃砖的厚度，入射角和折射角的大小不变；丙同学在白纸上画aa′和bb′间距比平行玻璃砖两光学面的间距稍微大些，使画出的入射点向左移，出射点向右移，所画的折射角比实际值大，算得的折射率将偏小。19(2)由折射定律得知，光线通过平行玻璃砖后向一侧发生侧移，由于光线在上表面折射时，折射角小于入射角，则出射光线向②一侧偏移，如图，故另两枚大头针P3和P4不可能插在③线上，故A错误；若保持O点不动，减小入射角，折射角也减小，另外两枚大头针P3和P4可能插在①线上，故B正确；若保持O点不动，增大入射角，在bb′侧调整观察视线，看不清P1和P2的像，反射光增强，折射光线减弱，根据光路可逆性原理得知，光线不可能在bb′界面发生全反射。故C错误。20[答案](1)AB(2)B212．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，如图甲所示。甲乙22(1)在图乙中画出完整的光路图；(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3位有效数字)。丙23(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，如图丙所示。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”)。24[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方向。光路图如图所示。25(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＝5.35.32＋42＝0.798，sinθ2＝2.22.22＋3.62＝0.521所以该玻璃砖的折射率n＝sinθ1sinθ2＝0.7980.521＝1.5326(3)由题图丙可知，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。[答案](1)见解析图(2)1.53(说明：±0.03范围内都可)(3)A27实验数据处理与分析1．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。2829(1)设AB的长度为l1，AO的长度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________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。30[解析](1)sinθ1＝l1BO，sinθ2＝l3CO，因此玻璃的折射率n＝sinθ1sinθ2＝l1BOl3CO＝l1l3，因此只需测量l1和l2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＝l1l3将偏大。[答案](1)l1和l3n＝l1l3(2)偏大312．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本身及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，图中已画出经过P1、P2点的入射光线。32(1)在图甲上补画出所需的光路。(2)为了测出玻璃的折射率，需要测量入射角i和折射角r，请在图甲中的AB分界面上画出这两个角。甲乙33(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________(填“小一些”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＝________。34[解析](1)连接P3、P4并使其连线与CD交于一点，此交点即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。35(2)连接O点与光线在AB上的入射点即法线，作出入射角i和折射角r如图所示。(3)由折射定律可得n＝sinisinr。(4)为了保证能在弧面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，才不会使光线在弧面CD上发生全反射。36(5)图象的斜率k＝sinisinr＝n，由题图乙可知斜率为1.5，即该玻璃的折射率为1.5。[答案](1)见解析图(2)见解析图(3)sinisinr(4)小一些(5)1.537实验拓展与创新高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础上创设新情境，因此，要发现创新角度，善于用基本实验的原理、方法和技巧处理新问题。本实验的常见创新如下38创新角度实验装置图创新解读实验设计的创新利用激光笔结合标尺分析光点的位置变化替代插针法实验器材的创新由测液体的折射率替代测玻璃砖的折射率39[题组训练]1．某同学测量玻璃砖的折射率，准备了下列器材：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d1＝10.00cm，玻璃砖厚度d2＝4.00cm。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c＝3.0×108m/s，结果均保留两位有效数字)。4041[解析]作出光路图如图所示，根据几何知识可得入射角i＝45°，设折射角为r，则tanr＝34，故折射率n＝sinisinr≈1.2，故v＝cn＝2.5×108m/s。[答案]1.22.5×108422．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。43(1)若∠AOF＝30°，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，最靠近OC边的是________色的光，增大入射角度，_______色的光在刻度盘上先消失。44[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＝sin∠EOP3sin∠AOF，代入数据可得n＝2。45(2)由于介质对紫光的折射率最大，所以紫光偏折得多，故最靠近OC边的是紫光。增大入射角，所有单色光的折射角都增大，而紫光的折射角依然最大，故紫光在刻度盘上先消失。[答案](1)2(2)紫紫