福建省漳浦县道周中学高考物理总复习 专题十三 光学实验(1).doc

福建省漳浦县道周中学2014年高考物理总复习 专题十三 光学实验1、 考点回顾 1测定玻璃的折射率；2用双缝干涉测光的波长。二、近两年理综考试物理实验命题的特点：1、 实验命题范围广近两年来，物理实验命题已经逐渐打破以往电学实验为主导的局面，考查范围更加广泛。从基本仪器的使用、演示实验的分析、教材学生实验及设计实验都作了全面的考查。2、命题方式在发生变化实验考题小题增多，由原来一题变为两个甚至三个小题；命题的内容也为力、电、光等；命题的形式也考查多样。3、 注重考查实验的基本能力 三、知识要点 1.掌握光的折射定律，理解折射率。 2.理解光的干涉现象产生的条件，掌握双缝干涉条纹间距公式。四、考点突破（一）实验：测定玻璃的折射率1、基本测量工具及其使用本实验测量工具只用到量角器或毫米刻度尺，读数时注意视线垂直于刻度线。测量数据的有效数字：量角器的最小分度值（即精度）为1，按毫米刻度尺的估读方法，测量角度误差最大值为0.5，其正弦函数值的误差在0.01左右，显然可以，如果无估读数，需要在有效数字的末位补“0”表示最小分度值，说明实验测量的准确度。用毫米刻度尺测量是另一种处理数据的方法来验证折射定律和计算折射率，可以估读到0.010.9mm，若无估读数，应在有效数字末位补“0”表示最小分度值，一般可得到23位有效数字。2、实验实例与点拨实验目的测定玻璃的折射率实验原理用插针法确定光线，找出跟入射线相应的折射线；用量角器测出入射角i和折射角r；根据折射定律计算出玻璃的折射率。实验器材平木板白纸玻璃砖大头针4枚图钉4个量角器（或三角板或直尺）铅笔点拨玻璃砖要选用宽度较大的，宜在5厘米以上，若宽度过小，则测量折射角度值的相对误差增大。实验步骤：（1）如图所示，在用4个图钉钉好的白纸上画一条直线aa作为界面。（2）过aa上的一点o画出界面的法线mn。（3）过o点画一条射线ao作入射光线。点拨入射角i应在1575范围内取值，若入射角i过大。则由大头针p1、p2射入玻璃中的光线量减少，即反射光增强，折射光减弱，且色散较严重，由玻璃砖对面看大头针的虚像将暗淡，模糊并且变粗，不利于瞄准插大头针p3、p4。若入射角i过小，折射角将更小，测量误差更大，因此画入射光线ao时要使入射角i适中。（4）在射线ao上插上两枚大头针p1、p2。（5）把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的一条长边跟aa、bb两条线准确地落在玻璃砖的两个平行的折射画里，这样，由作图画出的入射光线ao、出射光线ef与aa、bb的交点o、e才能与光线的实际入射点相符，否则将使画出的玻璃中折射光线的光路与实际偏离，因此作图时要用细铅笔。（6）在观察的这一侧即光线的出射面bb一侧插两枚大头针p3、p4，使p3挡住p1、p2的像，p4挡住p1、p2、p3的像，记下p3、p4的位置。点拨上面所说大头针挡住大头针的像是指“沉浸”在玻璃砖里的那一截，不是看超过玻璃砖上方的大头针针头部分，即顺p3、p4的方向看眼前的直线p3、p4和玻璃砖后的直线p1、p2的虚像是否成一直线，若看不出歪斜或侧移光路即可确定。大头针p2、p3的位置应靠近玻璃砖，而p1和p2、p3和p4应尽可能远些，针要垂直纸面，这样可以使确定的光路准确，减小入射角和折射角的测量误差。（7）移去玻璃砖连接p3、p4并延长交bb于e，连接oe即为折射光线，入射角i=aom，折射角=eon。（8）改变入射角i，重复实验步骤，列表记录相关测量数据，计算每次折射率n求出平均值。注意事项：1玻璃砖要厚，用手拿玻璃砖时，只能接触玻璃毛面或棱，严禁用玻璃砖当尺子画界面；2入射角应在15到75之间；3大头针要竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针p1与p2间、p3与p4间的距离应大一些，以减少确定光路方向时造成的误差；4玻璃砖的折射面要画准；5由于要多次改变入射角重复实验，所以入射光线与出射光线要一一对应编号，以免混乱。实验记录：测量数次数测角度（方法一）n=sini/sin测线段（方法二）n=gd/bcisinisinngd（mm）bc（mm）n123点拨1测入射角和对应的折射角，有人将入射角i用三角板画出特殊角度30、45、60，因取值范围在1575之间是可以的，但折射角的数值还是需要量角器来测量。点拨2实验步骤不变，只有处理数据的方法改变，在左下图中，入射光线ao和折射光线oe的延长线上截取等长的线段go和oc，为了减小误差，这线段应尽量大于10厘米，过g、g分别作法线mn的垂线gd和bc，用毫米刻度尺量出gd和bc的长度，则折射率n=gd/bc。 点拨3如上图中图甲所示的op线是一种理想状态，出现图线则是因入射角i测量值偏大，折射角的测量值反而偏小；出现图线则可能是因入射角的测量值偏小或折射角的测量值偏大。从图象直观看出，光由真空（或空气）射入玻璃（或水）中，入射角、折射角以及它们的正弦值是可以改变的，且正弦值之比是个常数，这个常数对不同介质是不同的。点拨4实验对测量结果影响最大的是测量光在玻璃中折射角的误差，其误差主要来源是：玻璃砖的宽度太窄。入射角i过大或入射角i过小，过大则反射光较强，出射光较弱。玻璃砖的两个平行的折射面未与两条平行轮廓线完全重合好。或因玻璃砖移动，或因画线太粗。大头针离玻璃砖偏远，而大头针之间间距偏小。实验中易混淆的是：入射角与法线的夹角（入射角）和入射线与界面的夹角。易错的是：入射角与折射角的界面取错，因而代入公式n=sini/sinr的值算错。易忘的是：大头针p3、p4的位置漏记。实验结论：对玻璃的入射光线取不同的入射角得到的玻璃的折射率是很接近的，在误差范围内，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。3、实验变通【变通1】器材不变，介质不变，形状变。用一厚度均匀的圆形玻璃做测定玻璃的实验，其简要步骤如下：1在白纸上做一个与圆形玻璃等半径的圆，定出圆心o。2将圆形玻璃平放在白纸上，使其边界与所画的圆重合。3在圆玻璃一侧竖直插上两枚大头针p1和p2。4在另一侧竖直插两枚大头针p3和p4，随p3、p4的方向，隔着玻璃观察大头针p3、p4和p2和p1的像恰好在一条直线上。5移去圆形玻璃，做好大头针记号后抽掉，在图画出光路。a. 连p1和p2交圆于a点，a点为入射点，连oa并延长即为法线，标出入射角i。b. 连p3、p4交圆于b点，b点即为光的出射点。c. 连ab即为光线在玻璃内的折射线，标出折射角r。6改变入射角i，重复（1）（5）步骤，列表记录，算出每次折射率n=sini/sinr，然后求平均值。结论：从图看出，圆形玻璃的出射光线与入射光线以圆形玻璃对称，同样满足出射角i等于入射角i，入射角改变，折射角改变但其正弦比为常数。【变通2】用三角形截面的玻璃砖做测定玻璃的折射率的实验，其他器材不变，简要步骤如下：1先在白纸上放好三棱镜。2在三角形玻璃的一侧插上两枚大头针p1和p2。3在三角形玻璃的另一侧观察，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p3、p4，使p3挡住p1、p2的像，p4挡住p3和p1、p2的像。4在白纸上标出大头针位置和画出三角形玻璃轮廓。5画出所需光路如右图。6记录所需测量的量：入射角i和折射角r或oe=og、ef和gh，如图标出。结论：折射率的公式是n=sini/sin或n=ef/gh。入射角i和折射角r均可改变，但其正弦比值始终为一个常数。【变通3】介质不变，形状变，方法变，器材变。用两腰长16厘米的全反射棱镜和坐标纸，两枚大头针做测定玻璃折射率实验，其步骤如下：1在全反射棱镜的oa棱上贴一很小的标记a。2把该棱镜平放在坐标纸上，使直角顶点与坐标系o点重合，两腰分别与x、y轴重合。3从腰ob边的c点注视a点，发现标记的a点的观察位置在腰oa上的d点。4在c、d两点各插上一枚大头针。5测量c点坐标为（0，yc），d点坐标为（xd，0），如图所示。连ac为实际入射光线。a. 连cd为眼睛视线。b. 延长dc线，延长线为ac线的折射光线。由光路可逆规律和折射定律有：，；故。【变通4】介质、形状都不变，测量工具和方法变。用玻璃砖和三角板、测玻璃的折射率，其简要步骤如下：1把长方体玻璃砖水平放置，用三角板紧贴玻璃砖的一边abef，测出玻璃砖宽度s2用三角板紧贴玻璃砖的一边adeh，垂直桌面并使三角板刻度边的“0”与玻璃砖的一棱角e重合，测出玻璃砖的长度l，如左下图。 3从玻璃砖的另一侧bcgf面（三角板对面）上看到的三角板刻度的像中读出与cg边重合的刻度值x，如右上图所示。4设计表格记录测量的l、s和读出的“刻度”像长x。5分析计算。设x在三角板上的坐标点为p，则p点的成像平面光路如上图所示，根据光路可逆从图可得出玻璃砖的折射率为：n=sini/sinr设玻璃砖eh，hg两边的长度分别为l、s，由图可知 把和代入整理得将测量记录的l、s、x代入式即可求出n值。【变通5】变介质，变方法，变仪器。用直口玻璃烧杯、刻度直尺测定液体折射率，其简要步骤如下：1把空烧杯置于实验桌边，量出烧杯内高度l和烧杯内壁距桌边的最近距离s，如图所示。2把烧杯内底距桌边最远点p涂成便于观察的颜色。3手执刻度尺垂直靠于桌边，用眼睛沿ao方向看去，（a点为刻度尺的零点）上下移动刻度尺，使apo在一条直线上，记录桌面上方的刻度尺l1。4将待测液体慢慢倒入烧杯，再上下移动刻度尺，用眼睛观察使aop在一条直线上，记录桌面上方刻度尺的长度l2，（p为p点在液体中的像，若在p点观察零点a，则a为刻度尺零点a此时成像的位置），由下图所示光路图和折射定律：n=sinr/sini由图可知： 把和代入整理得结论：对于固定的烧杯及其固定的位置，s、l、l1是定值，对于不同的液体l2不同，固此测出s、l、l1、l2的值后代入即可求出液体的折射率。【典例】“测定玻璃的折射率”实验中，在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针a、b，在另一侧再竖直插两个大头针c、d.在插入第四个大头针d时，要使它_.如图是在白纸上留下的实验痕迹，其中直线a、a是描在纸上的玻璃砖的两个边.根据该图可算得玻璃的折射率n=_.(计算结果保留两位有效数字)【解析】插第四个大头针d时，应使它挡住c及a、b的像.连接a、b并延长交直线a于一点o，连接c、d并延长交直线a于一点o，连接o、o.以o为圆心，作辅助圆交ab于e，交oo于g，分别过e、g作法线的垂线，垂足为f、h.用刻度尺量出ef、gh的长度，则折射率n= =1.8.答案：挡住c及a、b的像 1.8(1.61.9都算对)【变式练习】(2010福建高考)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所示.(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.【解析】 由实验的注意事项可知应选用宽度大的玻璃砖来测量，以减小实验误差.答案:(1) (2)大【总结】.求折射率的四种方法(1)计算法：用量角器测量入射角1和折射角2,算出不同入射角时的 并取平均值. (2)图象法：改变不同的入射角1，测出不同的折射角2，作sin1-sin2 图象，由 可知图象应为直线，如图所示，其斜率就是玻璃的折射率.(3)辅助线段法：利用直尺作辅助线，测出辅助线的长度大小，求玻璃的折射率.如图所示，作辅助线 且垂直于 量出 作辅助线且垂直于 量出 则 即可求出：(4)“单位圆法”:以入射点o为圆心，以适当长度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.如图所示， oe=oe=r，则 只要用刻度尺量出eh、eh的长度就可以求出n. （二）实验：用双缝干涉测光的波长实验目的：了解光波产生稳定的干涉现象的条件；观察双缝干涉图样；测定单色光的波长。实验原理：单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮（暗）纹间的距离x与双缝间的距离d、双缝到屏的距离l、单色光的波长之间满足。实验器材：双缝干涉仪、米尺、测量头。实验步骤：（1）如图所示，把直径约10cm、长约1m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；（2）取下双缝，打开光源，调节光源的高度，使它发出的束光能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮；（3）放好单缝和双缝，单缝和双缝间距离约为5cm10cm，使缝相互平行，中心大致仅次于遮光筒的轴线上，这时在屏上就会看到白光的双缝干涉图样；（4）在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的双缝干涉图样；（5）分别改变滤光片和双缝，观察干涉图样的变化；（6）已知双缝间的距离d，测出双缝到屏的距离l，用测量头测出相邻两条亮（暗）纹间的距离x，由计算单色光的波长。为了减小误差，可测出n条亮（暗）间的距离a，则；（7）换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间距的变化，并求出相应色光的波长。注意事项：（1）单缝双缝应相互平行，其中心仅次于遮光筒的轴线上，双缝到屏的距离应相等；（2）测双缝到屏的距离l可用米尺测多次，取平均值；（3）测条纹间距x时，用测量头则出n条亮（暗）间的距离a，求出相邻的两条明（暗）纹间的距离。 实验记录物理量次数na1234【典例】(2012福建高考)在“用双缝干涉测光的波长”实验中(实验装置如图)： (1)下列说法哪一个是错误的_.(填选项前的字母) a.调节光源高度使光束沿遮光筒轴线照在屏中心时,应放上单缝和双缝 b.测量某条干涉亮纹位置时,应使测微目镜分划板中心刻线与该亮纹的中心对齐 c.为了减少测量误差,可用测微目镜测出n条亮纹间的距离a,求出相邻两条亮纹间距 (2)测量某亮纹位置时,手轮上的示数如图,其示数为_mm. 【审题视角】解答本题时应明确以下三点： 【关键点】 (1)实验操作步骤及目的. (2)亮条纹间距的理解. (3)螺旋测微器主刻度半毫米刻度是否露出. 【精讲精析】(1)应先调节光源高度、遮光筒中心及光屏中心后再放上单、双缝，a选项不正确.目镜分划板中心应与亮纹中心对齐，使得移动过程测出的条纹间距较为准确，b选项正确.目镜移过n条亮纹，则亮条纹间距 c选项正确，故选a.(2)主尺读数是1.5 mm，螺旋读数是47.00.01 mm，因此示数为1.970 mm. 答案：(1)a (2)1.970五、强化训练1某同学设计了一个测定激光的波长的实验装置如图所示，激光器发出一束直径很小的红色激光进入一个一端装有双缝、另一端装有感光片的遮光筒，感光片的位置上出现一排等距的亮线(1）这个现象说明激光具有 性(2）某同学在做“用双缝干涉测光的波长”实验时，第一次分划板中心刻度线对齐a条纹中心时如图甲所示，游标卡尺的示数如图丙所示；第二次分划板中心刻度线对齐b条纹中心线时如图乙所示，游标卡尺的读数如图丁所示已知双缝间距为0. 5 mm，从双缝到屏的距离为1 m，则图丙中游标卡尺的示数为 mm图丁中游标卡尺的示数为 mm.实验时测量多条干涉条纹宽度的目的是 ，所测光波的波长为 m.（保留两位有效数字）(3）如果实