《状元之路物理》PPT课件.ppt

2.4 实验:测定玻璃的折射率 用双缝干涉测光的波长,知 识 精 要,一测定玻璃的折射率 1.实验目的 (1)测定玻璃的折射率. (2)学会用插针法确定光路.,2.实验原理 如图2-4-1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OB,从而求出折射光线OO的折射角2,再根据n= 算出玻璃的折射率.,3.实验器材 玻璃砖,白纸,木板,大头针,图钉,量角器(或圆规),三角板,铅笔. 4.实验步骤 (1)把白纸用图钉钉在木板上. (2)在白纸上画出一条直线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(如图2-4-2所示).,(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界面bb. (4)在AO线段上竖直地插上两枚大头针P1P2. (5)在玻璃砖的bb一侧竖直地插上大头针P3,用眼睛观察并调整视线,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P1P2的像.,(7)记下P3P4的位置,移去玻璃砖和大头针,过P3P4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304560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.,5.注意事项 (1)实验时,应尽可能将大头针竖直插在纸上,且P1和P2之间P3和P4之间P2与OP3与O之间距离要稍大一些. (2)入射角1不宜太大(接近90),也不宜太小(接近0).太大:反射光较强,出射光较弱;太小:入射角折射角测量的相对误差较大. (3)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. (4)实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变. (5)玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5 cm以上,若宽度太小,则测量误差较大.,6.实验误差分析 (1)入射光线出射光线位置的确定的准确性造成误差,故入射侧出射侧所插两枚大头针间距应大一些. (2)入射角和折射角的测量造成误差,故入射角应适当大些,以减小测量的相对误差. 二用双缝干涉测光的波长 1.实验目的 (1)明确实验器材的构成及其作用. (2)观察白光及单色光的双缝干涉图样. (3)测定单色光的波长.,2.实验原理 如图2-4-3所示,电灯发出的光,经过滤光片后变成单色光,再经过单缝S时发生衍射,这时单缝S相当于一单色光源,衍射光波同时到达双缝S1和S2之后,再次发生衍射,S1S2双缝相当于两个步调完全一致的单色相干光源,透过S1S2双缝的单色光波在屏上相遇并叠加,S1S2到屏上P点的路程分别为r1r2,两列光波传到P的路程差x=|r1-r2|,设光波波长为.,(1)若x=n (n=0,1,2,),两列波传到P点同相,互相加强,出现明条纹. (2)若x=(2n+1) (n=0,1,2,),两列波传到P点反相,互相减弱,出现暗条纹. 这样就在屏上得到了平行于双缝S1S2的明暗相间的干涉条纹.相邻两条明(暗)条纹间的距离x与入射光波长,双缝S1S2间距离d及双缝与屏的距离l有关,其关系式为:x ,由此可知,只要测出xdl,即可测出波长.,两条相邻明(暗)条纹间的距离x可用测量头测出.测量头由分划板目镜手轮等构成.如图2-4-4所示.,转动手轮,分划板会左右移动.测量时,应使分划板中心刻线对齐条纹的中心(如图2-4-5所示),记下此时手轮上的读数a1;转动手轮,使分划板向一侧移动,当分划板中心刻线对齐另一条相邻的条纹中心时,记下手轮上的刻度a2,两次读数之差就是这两条条纹间的距离.即x=|a1-a2|.,x很小,直接测量时相对误差较大,通常测出n条明(暗)条纹间的距离a,再推算相邻两条明(暗)条纹间的距离x= .,3.实验器材 双缝干涉仪,即:光具座光源滤光片单缝双缝遮光筒毛玻璃屏测量头,另外还有学生电源导线刻度尺. 4.实验步骤 (1)观察双缝干涉图样 把直径约10 cm长约1 m的遮光筒水平放在光具座上;筒的一端装有双缝,另一端装有毛玻璃屏(装置如图2-4-6所示).,取下双缝,打开光源,调节光源的高度,使光线能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮. 放好单缝和双缝,单缝和双缝间距离为510 cm,并使缝相互平行,中心大致位于遮光筒的轴线上. 通过测量头观察屏上出现的白光的干涉图样. 在单缝和光源之间放上滤光片,观察单色光的干涉图样.,(2)测定单色光的波长 用刻度尺测出屏到双缝的距离l. 转动手轮,分划板移动到使分划板中心刻线与亮条纹的中心对齐,记下此时手轮上的读数为亮纹1的位置. 转动手轮,使分划板中心刻线对准另一亮条纹的中心,记下此时手轮上的读数,即为亮条纹n的位置,两次读数之差为这两条亮条纹间的距离a.,相邻亮纹间距x= ,代入= (其中d在双缝上已标出),即可求得光波波长. 换用不同的滤光片,重复实验测量其他单色光的波长.,5.注意事项 (1)放置单缝和双缝时,必须使缝平行,间距510 cm. (2)要保持光源滤光片单缝双缝和光屏的中心在同一条轴线上. (3)测量头的中心刻线要对应着亮(或暗)纹的中心. (4)要多测几个亮纹(或暗纹)中心间的距离,再求x. (5)调节的基本依据是:照在像屏上的光很弱,原因是灯丝与单缝双缝,测量头与遮光筒不共轴,干涉条纹不清晰,主要原因一般是单缝与双缝不平行.,6.实验误差分析 光波波长很小,xl的测量对波长的影响很大,l用毫米刻度尺测量,x利用测量头上的游标卡尺测量;可测多条亮纹间距求x;采用多次测量求的平均值法减小误差.,双 基 精 练,1.如图所示,用插针法测定玻璃折射率的实验中,以下各说法中正确的是( ),A.P1P2及P3P4之间的距离适当大些,可以提高准确度 B.P1P2及P3P4之间的距离取得小些,可以提高准确度 C.入射角i适当大些,可以提高准确度 D.入射角太大,折射光线会在玻璃砖的内表面发生全反射,使实验无法进行 解析:由于光通过玻璃砖时,各相关角度互相制约着,其出射角恒等于入射角.而对于入射的界面,光线是从光疏介质射入光密介质,折射角必小于入射角,当入射角趋于最大值90时,折射角也趋于最大值,根据光路可逆原理,出射角最大值也趋于90,即始终能透过玻璃砖看到入射光线,所以D错. 答案:AC,2.某同学做“测定玻璃的折射率”实验时,用他测得的多组入射角1与折射角2作出sin1-sin2的图象如图2-4-8所示,下列判断正确的是( ),A.他做实验时,研究的是光线从空气射入玻璃的折射现象 B.玻璃的折射率为0.67 C.玻璃的折射率为1.5 D.玻璃临界角的正弦值为0.67 答案:ACD,解析:由sin1-sin2图象可知, ,而介质的折射率都比真空(或空气)的折射率n0=1大,故光是从空气射入玻璃的,入射角为1,A项正确.由折射率的定义知n=1.5,C正确,B错误.由临界角定义知临界角的正弦值 ,D正确.,3.在双缝干涉实验中用红光和绿光进行实验( ) A.红光的条纹间距大 B.红光的条纹间距小 C.红光与绿光的条纹间距一样大 D.红光的条纹比绿光的亮 答案:A,4.某同学按实验装置安装好仪器后,观察光的干涉现象,获得成功,若他在此基础上对仪器的安装做如下改动,仍能使实验成功的是( ) A.将遮光筒内的光屏,向靠近双缝的方向移动少许,其他不动 B.将滤光片移至单缝和双缝之间,其他不动 C.将单缝向双缝移动少许,其他不动 D.将单缝与双缝的位置互换,其他不动,答案:ABC,解析:双缝发生干涉,而单缝发生衍射,故D错;由x= 知,改变双缝到屏的距离l仍能得到清晰条纹,只不过条纹间距变化,故A正确;单缝与双缝之间距离对干涉无影响,故C正确;滤光片的作用是得到相干单色光,在单缝前还是在单双缝之间不影响干涉,故B正确.,疑 难 精 讲,疑难点.测定玻璃的折射率的实验中,除了测量入射角折射角利用n= 计算折射率外,还可怎样处理数据? 名师在线:1.作sin1-sin2图象:改变入射角1,测出相应的折射角2,作sin1-sin2图象,由n= 可知图象应为直线,如图2-4-9所示,其斜率为折射率.,2.“单位圆法”确定sin1sin2,计算折射率n. 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EH. 如图2-4-10所示,sin1= ,sin2= ,OE=OE=R,则n= .只要用刻度尺测出EHEH的长度就可以求出n.,易 错 点 拨,易错点一对实验原理认识不清导致出错 自我诊断1在“测定玻璃的折射率实验”中,所用玻璃砖的两表面aa和bb不平行,如图所示,所测得的折射率将( ),A.偏大B.偏小 C.不变D.无法确定,解析:本实验用插针法确定折射光路,与aabb是否平行无关,只要操作正确,就可以准确确定折射光线,从而由折射定律求出折射率n.当然,因aa和bb不平行,光线折出玻璃砖后与入射到界面aa的入射光线不再平行.如图所示,22,11.,答案:C,易错点二对双缝干涉条纹的形成不了解导致出错 自我诊断2在利用双缝干涉测定光波波长时,首先调节光源滤光片单缝和双缝的中心均位于遮光筒的中心轴线上,并使单缝和双缝竖直并且互相平行,当屏上出现了干涉图样后,用测量头上的游标卡尺去测量,转动手轮,移动分划板使分划板中心刻线与某条明纹中心对齐时,如图2-4-13(a)所示,将此明纹记为1,然后再转动手轮,分划板中心刻线向右移动,依次经,过2,3等明纹,最终与明纹6中心对齐,分划板中心刻线与明纹1和明纹6对齐时游标卡尺示数分别如图2-4-13中(b)(c)所示(游标卡尺为10分度),则图(b)对应的读数为m,图(c)对应的读数为m.用刻度尺量得双缝到屏的距离为60.00 cm,由双缝上标示获知双缝间距为0.2 mm,则发生干涉的光波波长为m.,在实验中,若经粗调后透过测量头上的目镜观察,看不到明暗相间的条纹,只看到一片亮区,造成这种情况的最可能的原因是_.,答案：1.9410-2 2.8410-2 6.0010-7,原因见解析,若粗调后看不到干涉条纹,只看到一片亮区,则最可能的原因是单缝与双缝不平行.,题 型 研 练,题型一理解测定玻璃折射率的原理 【例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,在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2挡住,接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3P4,使P3挡住P1P2的像,P4挡住P3和P1P2的像,在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图2-4-14所示.,(1)在本题的图上画出所需的光路. (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n=_.,答案:(1)见图2-4-15 (2)EF的长 GH的长 (3),解析:(1)如图2-4-15所示,连接P1P2交AB于O点,连接P3P4交AC于O点,连接OO,过O点作AB面的法线MN,延长OO到G点,使OG=OE,过E点作法线MN的垂线交MN于F点,过G点作法线MN的垂线交MN于H点. (2)量出线段EF和GH的长. (3)由折射定律 , 因为作图时量得OE=OG, 所以玻璃的折射率为n= .,方法总结:实验中,如果没有两面平行的玻璃砖,也可采用三棱镜半圆形玻璃砖等进行测量,只要利用“插针法”定出入射光线和出射光线,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2-4-16所示.,创新预测1 (2009牡丹江模拟)学校开展研究性学习,某研究小组的同学根据所学的光学知识,设计了一个测量液体折射率的仪器,如图2-4-17所示,在一圆盘上,过其圆心O作两条互相垂直的直径BCEF,在半径OA上,垂直盘面插下两枚大头针P1P2,并保持P1P2位置不变,每次测量,时让圆盘的下半部分竖直进入液体中,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P1P2的像,并在圆周上插上大头针P3,使P3正好挡住P1P2的像.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,就可直接读出液体折射率的值,则:,(1)若AOF=30,OP3与OC的夹角为30,则P3处所对应的折射率的值为. (2)图中P3P4两位置处所对应的折射率值大. (3)作AO的延长线交圆周于K,K处所对应的折射率值应为.,答案:(1)1.73 (2)P4 (3)1,解析:本题考查利用插针法测定液体的折射率和对折射的理解. (1)根据折射定律 ,题中1=60,2=AOF=30,所以 . (2)图中P4对应的入射角大于P3所对应的入射角,所以P4对应的折射率大. (3)因AOK在一条直线上,入射角等于折射角,所以K处对应的折射率为1.,题型二双缝干涉测光的波长的原理与数据处理 【例2】 现有毛玻璃屏A双缝B白光光源C单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在如图2-4-18所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用以测量红光的波长.,(1)将白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光学元件,由左至右,表示各光学元件的字母排列顺序应为CA. (2)本实验的实验步骤有: 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; 用刻度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. 在操作步骤时还应注意和_.,(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐,将该亮纹定为第1条亮纹,此时手轮上的示数如图2-4-19(a)所示.然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐,记下此时图2-4-19(b)中手轮上的示数mm,求得相邻亮纹的间距x为mm.,(4)已知双缝间距d为2.010-4 m.测得双缝到屏的距离l为0.700 m,由计算公式=,求得所测红光波长为nm.,解析:(1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为:光源滤光片单缝双缝屏,因此应填:EDB. (2)单缝与双缝的间距为510 cm,使单缝与双缝相互平行.,答案:(1)EDB,(2)单缝与双缝的间距为510 cm 使单缝与双缝相互平行 (3)13.870 2.310 (4) x 6.6102,方法总结:此实验中有两个问题须注意:一是= x中各物理量的意义,二是x= 中n的值.,创新预测2 用双缝干涉测光的波长,实验中采用双缝干涉仪,它包括以下元件: A.白炽灯 B.单缝 C.光屏 D.双缝 E.滤光片(其中双缝和光屏连在遮光筒上). (1)把以上元件安装在光具座上时,正确的排列顺序是:A(A已写好). (2)正确调节后,在屏上观察到红光干涉条纹,用测量头测出10条红亮纹间的距离为a;改用绿色滤光片,其他条件不变,用测量头测出10条绿亮纹间的距离为b,则一定有大于.,答案:(1)EBDC (2)a b,解析:(1)双缝干涉仪各组成部分在光具座上的正确排序为光源滤光片单缝双缝屏. (2)由x= 知,波长越长,条纹越宽,间距越大,可得出a一定大于b.,高 效 作 业,一选择题 1.用两面平行的玻璃砖测定玻璃的折射率的实验中,已画好玻璃砖界面aa和bb后,不慎将玻璃砖向上平移了一些,放在图2-4-20所示的位置上,而实验中其他操作均正确,测得的折射率将( ) A.偏大B.偏小 C.不变D.无法确定,答案:C,解析:经过玻璃砖的光路如图中实线所示,由于所作的玻璃砖分界线不是实际的分界线,如图中虚线所示,由几何知识可知,测出的折射角与正确值相同.,2.(2008高考上海卷)在杨氏双缝干涉实验中,如果( ) A.用白光作为光源,屏上将呈现黑白相间的条纹 B.用红光作为光源,屏上将呈现红黑相间的条纹 C.用红光照射一条狭缝,用紫光照射另一条狭缝,屏上将呈现彩色条纹 D.用紫光作为光源,遮住其中一条狭缝,屏上呈现间距不等的条纹 答案:BD 解析:在双缝干涉实验中,用白光作为光源,将得到彩色条纹;用红光作为光源,将得到红黑相间的条纹;用不同颜色的光分别照射两缝,得不到干涉条纹;用单色光照一条狭缝,得到衍射条纹.,二非选择题,3.(2009高考上海卷)图为双缝干涉的实验示意图,若要使干涉条纹的间距变大,可改用波长更_(填“长”或“短”)的单色光,或是使双缝与光屏间的距离_(填“增大”或“减小”).,长,增大,解析:依据双缝干涉条纹间距规律x 可知,要使干涉条纹的间距变大,需要改用波长更长的单色光,或增大双缝与屏之间的距离L.,4.(2009高考北京卷)在“用双缝干涉测光的波长”实验中,将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图2-4-23),并选用缝间距d=0.20 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L=700 mm,然后接通电源使光源正常工作.,(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米,游标尺上有50分度.某同学调整手轮后,从测量头的目镜看去,第1次映入眼帘的干涉条纹如图2-4-24(a)所示,图2-4-24(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号,此时图2-4-24(b)中游标卡尺上的读数x1=1.16 mm;接着再转手轮,映入眼帘的干涉条纹如图2-4-25(a)所示,此时图2-4-25(b)中游标卡尺上的读数x2=_mm;,15.02,(2)利用上述测量结果,经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离x=_mm,这种色光的波长=_-nm.,2.31,6.6102,解析:(1)由游标卡尺的读数规则可知,x2=15.0 mm+10.02 mm=15.02 mm;(2)图2-4-24(a)中暗纹与图2-4-25(a)中暗纹间的间隔为6个,故x=(x2-x1)/6=(15.02-1.16)/6 mm=2.31 mm;由x=L/d可知=dx/L=0.20 mm2.31 mm/700 mm=6.6102 nm.,5.两个同学各设计一个数据记录表格,而且都已完成了计算.你认为谁是对的?_.,甲设计的表格是:,乙设计的表格是:,甲,解析:测玻璃的折射率实验,其原理是应用折射定律 计算n值.入射角1与折射角2要对应,每一个入射角1必对应一确定的折射角2.为减小误差,最终应对求得的n值求其平均值,而不是求入射角1和折射角2的平均值.,6.如图2-4-26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P1P2,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P1P2的像,连接OP3.图中MN为分界面,虚线半圆与玻璃砖对称,BC分别是入射光线折射光线与圆的交点,ABCD均垂直于法线并分别交法线于AD