2019-2020学年高中物理 第四章 光的折射 第2节 学生实验：测定玻璃的折射率学案 教科版选修3-4

第2节学生实验：测定玻璃的折射率1.掌握测定玻璃折射率的原理(重点难点)2.学会插针法测定玻璃的折射率(难点)一、实验目的测定玻璃的折射率二、实验原理如图所示，当光线ao以一定入射角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，从而确定了玻璃砖中的折射光线oo，量出入射角1和折射角2，根据n算出玻璃的折射率三、实验器材长方形玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、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代表两种介质的界面，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3把长方形的玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边跟aa对齐，并画出玻璃砖的另一长边bb.4在ao线段上竖直地插上两枚大头针g1、g2.5在玻璃砖bb一侧透过玻璃砖观察大头针g1、g2的像，调整视线的方向直到g1的像被g2的像挡住；再在bb一侧插上两枚大头针g3、g4，使g3能挡住g1、g2的像，g4能挡住g1、g2的像及g3本身6移去玻璃砖，在拔掉g1、g2、g3、g4的同时分别记下它们的位置过g3、g4作直线ob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1，oon为折射角2.7用量角器量出入射角1和折射角2的度数，查出它们的正弦值，并把这些数据填入记录表格里8用上述方法分别求出入射角是15、30、45、60、75时的折射角，查出入射角和折射角的正弦值，记入表格里9算出不同入射角时的值，比较一下，看它们是否接近于一个常数，求出几次实验时测得数据的平均值，就是玻璃的折射率.注意事项及误差分析1注意事项(1)实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动(2)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.(3)大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两枚大头针g1与g2间、g3与g4间的距离应大一些，以减小确定光路方向时造成的误差(4)实验时，入射角1不宜过小，否则会增大测量角度的误差；入射角也不宜过大，因入射角太大时，折射光线太弱(5)为减小实验误差，要改变入射角，重复实验，所以应将每次实验所得的插孔进行编号，以免造成混乱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2误差分析(1)入射光线、出射光线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，玻璃砖应宽一些(2)入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当，一般取入射角在3070，以减小测量的相对误差(3)出射点位置确定不准造成误差若实验中入射点选择不合适，使光线从玻璃砖的侧面射出，而没有从与入射面平行的另一面射出，会造成很大误差，故实验中应注意玻璃砖的边界，使光线从互相平行的两面射入和射出(4)玻璃砖的边界确定不准确造成误差若实验中移动了玻璃砖，或所画边界与玻璃砖实际边界不重合，会造成入射角或折射角错误，故实验中应使所画边界与玻璃砖实际边界一致，且实验中保持玻璃砖位置不动在利用插针法测定玻璃折射率的实验中：(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa和bb后，不小心碰了玻璃砖使它向aa方向平移了少许，如图所示则他测出的折射率将_(填“偏大”“偏小”或“不变”)(2)乙同学在画界面时，不小心将两界面aa、bb间距画得比玻璃砖宽度大些，如图所示，则他测得的折射率_(填“偏大”“偏小”或“不变”)解析(1)如图甲所示，甲同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角、折射角没有受到影响，因此测得的折射率将不变(2)如图乙所示，乙同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小答案(1)不变(2)偏小实验数据处理的其他两种典型方法1用边来代替角度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，用直尺量出cc和dd的长，如图所示由于sin 1，sin 2.而codo，所以折射率：n1.重复以上实验，求得各次折射率的计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值2画sin 1 sin 2图像根据折射定律可得n，因此有sin 2sin 1.在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角并计算它们的正弦值的基础上，以sin 1值为横坐标、以sin 2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，故玻璃砖折射率n.插针法的作用是找出玻璃砖内的光路，其关键是确定入射点和出射点，而入射点和出射点是利用插针后确定的直线与界面相交而得到的，故实验的关键是插准大头针，画准玻璃砖边界线，而与所选玻璃两边是否平行无关如用半圆形、圆形或三角形玻璃砖，均可测出其折射率如图所示，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g1、g2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g3，使g3挡住g1、g2的像，连接og3.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 (1)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_(2)该同学在插大头针g3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”)解