新高考人教物理一轮学案实验十九测量玻璃的折射率

实验十九测量玻璃的折射率授课提示：对应学生用书第279页一、实验目的1．测定玻璃的折射率。2．学会用插针法确定光路。二、实验原理与要求[基本实验要求]1．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＝eq\f(sinθ1,sinθ2)或n＝eq\f(PN,QN′)计算出玻璃的折射率。2．实验器材木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔。3．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′。(3)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。(6)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eq\f(sinθ1,sinθ2)，并取平均值。[规律方法总结]1．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eq\f(sinθ1,sinθ2)，并取平均值。(2)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＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知图象应是过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率。(3)“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＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，则n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′)。只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n。2.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。(4)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。授课提示：对应学生用书第280页命题点一教材原型实验实验原理与操作[典例1](2021·河南郑州一中模拟)(1)几位同学做“用插针法测定玻璃的折射率”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：A．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)。(2)在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，在已确定好的入射方向AO上插了两枚大头针P1和P2，如图所示(①②③是三条直线)。在以后的操作中，下列说法正确的是________。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C．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[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。(2)由折射定律可知，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可知，光线不可能在bb′界面发生全反射，故C错误。[答案](1)AB(2)B数据处理与分析[典例2](2019·高考天津卷)某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度________。A．选用两光学表面间距大的玻璃砖B．选用两光学表面平行的玻璃砖C．选用粗的大头针完成实验D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些(2)该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示，其中实验操作正确的是________。(3)该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再过A、B点作法线NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图所示，则玻璃的折射率n＝________。(用图中线段的字母表示)[解析](1)测定玻璃折射率的关键是根据入射光线和出射光线确定在玻璃中的传播光线，因此选用光学表面间距大的玻璃砖以及使同侧两枚大头针间的距离尽量大些都有利于提高实验的准确程度，A、D正确；两光学表面是否平行不影响折射率的测量，为减小误差，应选用细长的大头针，故B、C错误。(2)两光学表面平行的玻璃砖的入射光线与出射光线平行，在空气中的入射角大于玻璃中的折射角，在题图中，根据玻璃砖界线及四个孔洞位置分别作出光路图及法线，如图1所示分析可知实验操作正确的是D。(3)如图2所示，玻璃的折射率n＝eq\f(sini,sinr)，又sini＝eq\f(AC,R)，sinr＝eq\f(BD,R)，故n＝eq\f(AC,BD)。[答案](1)AD(2)D(3)eq\f(AC,BD)命题点二实验实验目的创新[典例3]实验可让学生们提高对物理实验的理解和应用能力。如图所示，一个学生用广口瓶和刻度尺测定水的折射率，请填写下述实验步骤中的空白。(1)用刻度尺测出广口瓶瓶口内径d。(2)在瓶内装满水。(3)将刻度尺沿瓶口边缘竖直插入水中。(4)沿广口瓶边缘向水中刻度尺正面看去，若恰能看到刻度尺的0刻度(即图中A点)，同时看到水面上B点刻度的像B′恰与A点的像相重合。如图，若水面恰与直尺的C点相平，则________和________分别等于入射角和折射角。(5)读出________和________的长度。(6)由题中所给条件和前面步骤得到的数据，可以计算水的折射率n＝________。[解析](4)从A点发出的光线经折射后进入眼睛，所以∠OAC等于入射角，∠OBC等于折射角；(5)若水面恰与直尺C点相平，读出AC和BC的长度。(6)设从A点发出的光线射到水面时入射角为i，折射角为r，根据数学知识得知：sini＝eq\f(d,\r(d2＋AC2))，sinr＝eq\f(d,\r(d2＋BC2))，则折射率为n＝eq\f(sinr,sini)根据对称性有：B′C＝BC联立得n＝eq\r(\f(d2＋AC2,d2＋AB－AC2))或eq\r(\f(d2＋AC2,d2＋BC2))。[答案](4)∠OAC∠OBC或∠OB′C(5)ACAB或BC(6)eq\r(\f(d2＋AC2,d2＋AB－AC2))或eq\r(\f(d2＋AC2,d2＋BC2))创新评价本实验创新之处在于由测液体的折射率替代测玻璃砖的折射率，数据处理根据单位圆法转换为数学知识获取。实验设计创新[典例4]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O、A间的距离为cm，A、B间的距离为cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离d1＝cm，玻璃砖厚度d2＝cm。玻璃的折射率n＝________，光在玻璃中传播速度v＝________m