2013版高中物理全程复习方略配套课件(鲁科版·福建)：实验十三测定玻璃的折射率.ppt

实验十三测定玻璃的折射率 1 掌握光发生折射时入射角和折射角的确定方法 2 测定玻璃的折射率的原理与方法 本实验是利用 插针法 确定光路 找出在介质中折射光线和折射角 再根据n 算出玻璃的折射率 此法也适用于其他形状的介质的折射率的测定 一块两面平行的玻璃砖 白纸 木板 图钉 大头针 量角器 或圆规 三角板 刻度尺 一 实验步骤1 固定白纸 用图钉将白纸平整地固定在方木板上 2 画界面 作法线 1 在白纸上画一直线aa 作为界面 过aa 上的一点O画出界面的法线NN 并画一条线段AO作为入射光线 如图所示 2 把长方形玻璃砖放在白纸上 并使其长边与aa 重合 找出与bb 重合的两点 先拿掉玻璃砖 再用刻度尺画出玻璃砖的另一边bb 再放上玻璃砖 使其两边分别与aa 和bb 重合 3 用插针法确定折射光 1 在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1 P2 2 从玻璃砖bb 一侧透过玻璃砖观察大头针P1 P2的像 调整视线方向直到P1的像被P2的像挡住 再在bb 一侧插上大头针P3 P4 使P3能挡住P1 P2的像 P4能挡住P1 P2的像及P3本身 3 移去玻璃砖 在拔掉P1 P2 P3 P4的同时分别记下它们的位置 过P3 P4作直线O B交bb 于O 连接O O OO 就是玻璃砖内折射光线的方向 AON为入射角 O ON 为折射角 4 用上述方法分别作出入射角是30 45 60 时对应的折射角 二 实验数据记录与处理1 公式法 通过测量入射角和折射角 查数学用表 代入n 中求玻璃的折射率 1 设计数据记录表格如下 2 用量角器量出入射角和折射角的度数 查出它们的正弦值 并把这些数据填入表格里 3 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 求出几次实验测得的的平均值 这就是这块玻璃的折射率 2 图象法根据n 有 sinr 在多次改变入射角 测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上 以sini值为横坐标 以sinr值为纵坐标 建立直角坐标系 如图所示 描数据点 过数据点连线得一条过原点的直线 求解图线斜率 设斜率为k 则k 故玻璃折射率n 3 尺规法 利用圆规 刻度尺作辅助线的方法 通过测出辅助线的长度大小 来测定玻璃的折射率 1 在找到入射光线和折射光线以后 以入射点O为圆心 以任意长为半径画圆 分别与AO交于C点 与OO 或OO 的延长线 交于D点 过C D两点分别向NN 作垂线 交NN 于C D 用刻度尺量出CC 和DD 的长 如图所示 由于sini sinr 而CO DO 所以折射率n 重复以上实验 求得多次折射率计算值 然后求其平均值即为玻璃折射率的测量值 2 可以借助刻度尺来完成 如图所示 过B点作上表面的垂线 交上表面于M 延长AO与BM交于N 则折射率为n 所以只要用刻度尺量出OB ON的长度 就可以算出折射率了 实验对测量结果影响最大的是测量光在玻璃中折射角r的误差 其误差主要来源是 1 玻璃砖的宽度太窄 2 入射角i过大或入射角i过小 3 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 玻璃砖移动 画线太粗等 4 大头针离玻璃砖偏远 大头针之间间距偏小等 1 手拿 放玻璃砖只能接触毛面或棱 不能触摸光学面 画界面aa 时应先画直线再放上玻璃砖 画界面bb 时严禁把玻璃砖当刻度尺用 2 实验过程中 玻璃砖在纸面上的位置不可移动 3 插针P1与P2 P3与P4的间距要适当大些 以减小确定光路方向时出现的误差 4 实验时若入射角太小 则与入射角对应的折射角测量的相对误差增大 入射角也不能太大 过大则反射光较强 出射光较弱 不易观察到P1 P2的像 5 大头针应竖直插入 且玻璃砖应选用宽度在5cm以上的 利用细激光束射入半圆形玻璃砖 测出全反射的临界角来测定玻璃的折射率 此法操作简单快捷 实验原理与方法的考查 典例1 2011 天津高考 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缓缓转动 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 当玻璃砖转到图中虚线 位置时 上述现象恰好消失 此时只须测量出 即可计算出玻璃砖的折射率 请用你的测量量表示出折射率n 规范解答 若半圆形玻璃砖转过 角时在半圆形玻璃砖直径一侧恰好看不到P1 P2的像 那么此时恰好发生了全反射 作出如图所示的光路图 则过P1 P2的光线在玻璃砖内的入射角为 在空气中折射角为90 根据折射定律得 只要测出 就能求出玻璃砖的折射率 答案 玻璃砖直径边绕O点转过的角度 实验数据处理方法的考查 典例2 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P3 P4 使P3挡住P1 P2的像 P4挡住P3和P1 P2的像 在纸上标出大头针位置和三棱镜轮廓 如图所示 1 在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 规范解答 1 如图所示 连接P1 P2交AB于O点 连接P3 P4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 由折射定律有n 因为作图时量得OG OE 所以玻璃的折射率为n 因此需要测量线段EF和GH的长 3 计算折射率的公式是n 答案 1 见规范解答 2 线段EF和GH的长 3 1 如图所示 一半圆形玻璃砖外面插上P1 P2 P3 P4四枚大头针时 P3 P4恰可挡住P1 P2所成的像 则该玻璃砖的折射率n 有一位同学把大头针插在P 1 P 2位置时 沿着P4 P3的方向看不到大头针的像 其原因是 解析 由题图知过P1 P2的光线在玻璃砖内的入射角为30 在空气中折射角为60 由折射定律n 可得n 1 73 经过P 1P 2的光线在界面MN处的入射角是60 大于临界角 发生了全反射 因此沿着P4 P3的方向看不到大头针的像 答案 1 73经过P 1P 2的光线在界面MN处发生了全反射 2 如图所示 利用某种折射率较大的透光物质制成直角三棱镜ABC 在垂直于AC面的直线MN上插两枚大头针P1 P2 在AB面的左侧通过棱镜观察大头针P1 P2的像 调整视线方向 直到P1的像被P2的像挡住 再在观察的这一侧先后插上两枚大头针P3 P4 使P3挡住P1 P2的像 P4挡住P3和P1 P2的像 记下P3 P4和三棱镜的位置 移去大头针和三棱镜 过P3 P4作直线与AB面交于D 量出该直线与AB面的夹角为45 则透光物质的折射率n 解析 由于光在界面BC处发生反射 依题意作光路图如图所示 由几何关系可知光在D处射出时 入射角是30 折射角是45 据折射定律得n 答案 3 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 如图所示 在一圆盘上 过其圆心O作两条互相垂直的直径BC EF 在半径OA上垂直盘面插下两枚大头针P1 P2并保持P1 P2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P1 P2的像 并在圆周上插上大头针P3 使P3正好挡住P1 P2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 作AO的延长线交圆周于K K处所对应的折射率值应为 3 图中P3 P4两位置哪一处所对应的折射率值大 答 解析 本题考查利用插针法测定液体的折射率和对折射率的理解 1 根据折射定律n 题中i 60 r AOF 30 所以n 1 73 2 因A O K在一条直线上 入射角等于折射角 所以K处对应的折射率应为1 3 图中P4对应的出射角大于P3所对应的出射角 所以P4位置处对应的折射率大 答案 1 1 73 2 1 3 P4处对应的折射率大 4 某同学在测一厚度均匀的圆形玻璃的折射率时 先在白纸上画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 在另一侧按正确方法再插两枚大头针P3和P4 移去大头针和圆形玻璃后 得到图形如图所示 1 从P3和P4一侧观察时 P1 P2 P3 P4应满足的关系为 2 完成光路图 并标明入射光线 玻璃内传播的光线 出射光线 3 用 和 表示出光线从玻璃射入空气时的入射角和折射角 并用它们表示出玻璃的折射率为 解析 1 从P3和P4一侧观察 P3 P4和P1 P2的像应在一条直线上 2 连接P1 P2作为入射光线 延长至玻璃界面交点为入射点M 连接P3 P4作为出射光线 反向延长至玻璃界面交点为出射点N 连接M N即为玻璃内传播的光线如图所示 3 连接O N 所作的直线是过出射点N点的界面法线 则入射角 和折射角 如图所示 由折射定律得 n 答案 1 P3 P4和P1 P2的像应在一条直线上 2 见解析图 3 5 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为分界面 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 设AB的长度为l1 AO的长度为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 解析 OC是折射光线 折射角为 DOC 入射角为 BOA 则n 因此需用刻度尺测量l1和l3 答案 l1和l3n 6 在做测定玻璃折射率的实验时 1 甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面ab和cd 但在做插针实验观察前不慎将玻璃砖向ab方向平移了一些 如图甲所示 其后的操作都正确 但在画光路图时 把入射光线和出射光线分别延长到ab cd上找到交点O O 画出折射光线 他测得的玻璃折射率n值将 2 乙同学为了避免笔尖接触玻璃砖表面 画出的两条直线a b 和c d 都比玻璃砖的实验侧面向外平移了一些如图乙所示 其他操作都正确 画光路图时他也以a b 和c d 直线为标准找出两个交点O O 连成折射光线OO 以后再进行测量和计算 他测出的玻璃折射率n值将 3 丙同学在实验 操作 画图各方面都正确 只是所用的玻璃砖的两个侧面明显不平行如图丙所示 他测出的玻璃折射率n值将 解析 1 甲同学在画好玻璃砖的两条界面线ab cd以后 在插针观察实验时把玻璃砖向上平移了一小段距离 但是ab cd之间的距离和被测玻璃砖两个侧面距离相等 所以入射光线和出射光线的方向没有改变 使得画出的在玻璃砖内的折射光线的方向也没有改变 得到的入射角和折射角的大小不变 因此测得的玻璃折射率n的值将保持不变 如图 a 所示 2 乙同学画的两条界面线a b 和c d 之间的距离大于实际玻璃砖两个侧面之间的距离 使画出的入射点向左移 而光线从玻璃砖射出的点向右移 使画出的折射角 2比实际的折射角 2大 如图 b 所示 由折射定律n 算得的玻璃折射率将偏小 3 丙同学所用玻璃砖两侧面不平行 由实验得到的入射光线和出射光线也不平行 只要实验 操作 画图都没有错误 同样能画出折射光线 确定入射角和折射角 如图 c 所示 测得的玻璃折射率n值不变 答案 1 不变 2 偏小 3 不变 7 某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率 他的操作步骤如下 A 用刻度尺量出半圆形玻璃砖的直径D 算出半径r D 2 然后确定圆心的位置 记在玻璃砖上 B 在白纸上画一条直线作为入射光线