2025高考物理步步高同步练习选修1练习学习笔记第四章 实验：测量玻璃的折射率

2025高考物理步步高同步练习选修1练习学习笔记实验：测量玻璃的折射率[学习目标]1.知道测量玻璃折射率的原理、方法和步骤(重点)。2.会确定入射光线、折射光线、入射角及折射角(重点)。3.学会用不同方法测量和计算玻璃的折射率(重难点)。一、实验思路1．实验原理用“插针法”确定光路，找出入射光线及相应的出射光线，画出玻璃砖中对应的折射光线，用量角器分别测出入射角θ1和折射角θ2，根据折射定律n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)便可求出玻璃的折射率。2．物理量的测量入射角θ1：入射光线与法线的夹角。折射角θ2：折射光线与法线的夹角。二、实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针、图钉、量角器、直尺、铅笔。三、进行实验1．把白纸用图钉钉在木板上。2.用直尺画一条平行于玻璃砖一个面的直线aa′作为界面，过aa′上一点O作垂直于aa′的直线NN′作为法线，过O点画一条入射光线AO，使入射角θ1适当________些，如图所示。3．在AO线上竖直地插两枚大头针P1、P2，在白纸上放上被测玻璃砖，使玻璃砖的一个面与aa′重合。4．沿玻璃砖的另一侧面用直尺画一条直线bb′。5．在玻璃砖bb′一侧白纸上竖直地立一枚大头针P3，调整视线，同时移动大头针P3的位置，当P3恰好能同时挡住玻璃砖aa′一侧所插的大头针________的像时，把大头针P3插好。6．在玻璃砖bb′一侧再竖直地插一枚大头针P4，使P4能挡住________本身，同时也能挡住____________的像。7．记下P3、P4的位置，移去玻璃砖，拔去大头针，过P3、P4连一条直线BO′交bb′于O′点，连接OO′，OO′就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线，折射角为θ2。8．用量角器量出入射角θ1和折射角θ2的大小。9．改变入射角θ1，重复上面的步骤再做三、四次，量出相应的入射角和折射角。四、数据分析1．计算法：通过多次测量入射角和折射角，得出多组入射角和折射角的正弦值，再代入n＝____________中求出多个n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率。2.图像法：求出多组对应的入射角与折射角的正弦值，作出sinθ1－sinθ2图像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知图像应为一条________________________，如图所示，其斜率为____________。3．单位圆法(1)以入射点O为圆心，以一定长度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′，分别交NN′于点H、H′，如图所示。(2)由图中关系知sinθ1＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，则n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝______，只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。五、误差分析1．由入射侧、出射侧所插两枚大头针的位置所确定的入射光线、出射光线的准确度会造成系统误差。2．入射角和折射角的测量造成偶然误差。3．折射率的计算求解会造成偶然误差。六、注意事项1．实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动。2．不能用手触摸玻璃砖光洁的光学面，更不能把玻璃砖当尺子用。3．大头针应竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应适当大些。4．实验中入射角不宜过小或过大。5．玻璃砖应选用宽度较大的。例1如图所示，在“测量玻璃的折射率”实验中，先在白纸上画一条直线aa′代表两种介质的分界面；画出一直线段AO代表入射光线，然后画出过O点处的法线MN。放好玻璃砖，aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面，在玻璃砖一侧的直线AO上竖直地插上两枚大头针P1和P2。(1)接下来要完成的必要步骤有________。A．插上大头针P3，使P3仅挡住P2的像B．插上大头针P3，使P3挡住P1的像和P2的像C．插上大头针P4，使P4仅挡住P3D．插上大头针P4，使P4挡住P3和P1、P2的像(2)过________画直线与界面bb′相交于O′点，连接OO′即可得到玻璃砖内折射光线的路径，在图上完成光路图；(3)实验中需要测量的物理量有________(用符号表示，并在图上标出)；(4)折射率n＝________(利用(3)中测量的物理量的字母表示)。例2(2022·眉山市高二期末)(1)某实验小组利用“插针法”测量玻璃的折射率的实验光路如图甲所示，实验所用玻璃砖的上表面AD与下表面BC不平行，出射光线O′G与入射光线PO________(选填“平行”或“不平行”)；对实验数据的处理可采用以入射点O为圆心，取某一单位长度为半径作圆，该圆与入射光线PO交于M点，与折射光线OO′的延长线交于E点，过M、E点分别向法线作垂线，其垂足分别为N、F，现测得MN＝1.66cm；EF＝1.12cm，则该玻璃砖的折射率n＝________(结果保留三位有效数字)。(2)某同学在“利用插针法测量玻璃的折射率”的实验中，如图乙所示，在纸上画玻璃砖下界面bb′时，误将bb′向下画至图中虚线位置，而其他操作均正确，则该同学测得的玻璃砖折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。例3用圆弧状玻璃砖做测量玻璃的折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1被P2挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓，如图甲所示，其中O为两圆弧圆心，图中已画出经P1、P2点的入射光线。(1)在图甲上补画出光路以及入射角θ1和折射角θ2；(2)用所测物理量计算折射率的公式n＝________；(3)多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出了如图乙所示的图像，由图像可知该玻璃砖的折射率n＝________。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OA间的距离为20.00cm，AB间的距离为6.00cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离d1＝10.00cm，玻璃砖厚度d2＝4.00cm.玻璃的折射率n＝________，光在玻璃中的传播速度v＝________m/s(光在真空中的传播速度c＝3.0×108m/s，结果均保留两位有效数字)。章末素养提升物理观念光的几种现象光的折射：(1)折射定律：n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，光从真空斜射入任何介质时，θ1>θ2(2)折射率与传播速度的关系：n＝eq\f(c,v)光的全反射：(1)条件：光从______介质斜射向____介质、入射角______________临界角(2)临界角C计算公式：sinC＝eq\f(1,n)光的干涉：(1)双缝干涉①条件：两列____________、____________、____________的光②条纹间距：Δx＝eq\f(l,d)λ③干涉图样：单色光是明暗相间、间隔________的条纹(2)薄膜干涉光的衍射：(1)发生明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸____________(2)衍射图样：单色光是明暗相间、间隔____________的条纹(3)实例：单缝衍射、圆孔衍射、泊松亮斑光的偏振：(1)偏振光与自然光的区别(2)偏振现象证明光是________波激光：(1)特点：________________、________________、____________(2)应用：光纤通信、激光测距、激光雷达、医疗、全息照相等科学思维模型构建通过构建光路模型，解释反射、折射等现象.光的本性认识通过对光的衍射、干涉、偏振等现象的研究与理解，知道光具有波动性，对光的本性有了初步的认识科学探究1.测量玻璃的折射率2.用双缝干涉测量光的波长科学态度与责任通过了解光的衍射、干涉、光纤和激光技术的应用等，了解科学、技术和社会的关系例1(多选)下列四幅图为光的相关现象，以下说法正确的是()A．图甲为a、b两束单色光分别通过同一双缝干涉实验器材形成的图样，在同种均匀介质中，a光的传播速度比b光的大B．图乙为光导纤维示意图，内芯的折射率比外套的折射率小C．图丙为薄膜干涉示意图，两玻璃板的中间一端用薄片垫起，构成空气劈尖，干涉条纹的产生是由于光在空气薄膜的上下两表面反射形成的两列光波叠加的结果D．图丁中，用自然光照射透振方向(箭头所示)互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，光屏上有亮线例2(多选)(2022·河南信阳高二期末)如图所示，半圆形玻璃砖放在水平面上，玻璃砖底部涂有反射层，由a、b两束单色光组成的复色光以水平方向射到圆弧面上的P点，光束折射后经玻璃砖底面反射，单色光a从圆弧面上的A点射出，单色光b从圆弧面上的B点射出，则下列判断正确的是()A．a光的频率大于b光的频率B．a光在玻璃中的速度大于b光在玻璃中的速度C．用同一装置进行双缝干涉实验，a光的条纹间距小于b光的条纹间距D．从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光的临界角大于b光的临界角例3(2022·齐齐哈尔市高二期末)如图甲所示是由透明材料制成的半圆柱体，一束细光束由真空沿着径向与AB成θ角射入，对射出的折射光线的强度随θ角的变化进行记录，得到的关系如图乙所示。图丙是这种材料制成的透明体，左侧是半径为R的半圆，右侧是长为8R、高为2R的长方体，一束单色光从左侧A′点沿半径方向与长边成37°角射入透明体。已知光在真空中的传播速度为c，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，下列说法正确的是()A．该透明材料的临界角为37°B．该透明材料的折射率为eq\f(4,3)C．光在透明体中传播的速度为0.6cD．光在透明体中传播的时间为eq\f(55R,4c)例4如图所示，截面ABCD为放置在真空环境中的矩形透明设备，AB＝2a，AD＝eq\r(3)a。一束光从AD边上距A点eq\f(\r(3),3)a处入射到上表面，与AD夹角为θ＝30°，折射光经过AB中点，光在真空中的传播速度为c，求：(1)该透明设备材料的折射率(可用根号表示)；(2)试判断这束光线在AB面处是否发生了全反射，请做出合理的解释；(3)请作出这束光线在透明设备内完整的光路图；(4)求这束光在该透明材料中的光速(可用根号表示)；(5)光从射入到第一次射出经历的时间。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例5如图，△ABC是一直角三棱镜的横截面，∠A＝90°，∠B＝60°，一细光束从BC边的D点折射后，射到AC边的E点，发生全反射后经AB边的F点射出。EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中点，不计多次反射。(1)求出射光相对于D点的入射光的偏角；(2)为实现上述光路，棱镜折射率的取值应在什么范围？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________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由静止释放，释放后篮球的重心下降高度为1.25m时与地面相撞，反弹后篮球的重心上升的最大高度为0.45m，不计空气阻力，取重力加速度g＝10m/s2，求地面与篮球相互作用的过程中：(1)篮球动量的变化量；(2)篮球动能的变化量。____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________拓展延伸若篮球与地面发生碰撞时无能量损失，反弹后仍然上升到1.25m高度处，则篮球动量的变化量是多少？动能的变化量是多少？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________2动量定理[学习目标]1.理解冲量的概念，知道冲量是矢量，会计算某力的冲量(重点)。2.理解动量定理的含义及其表达式，会运用动量定理解决实际问题(重难点)。3.会用动量定理解释碰撞、缓冲等生活中的现象(重点)。一、动量定理的理解如图，一个质量为m的物体在光滑的水平面上受到恒力F的作用，做匀变速直线运动。在初始时刻，物体的速度为v，经过一段时间Δt，它的速度为v′。试推导F、Δt与Δp的关系。_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．冲量(1)定义：力与________________的乘积。(2)定义式：I＝________。(3)物理意义：冲量是反映力的作用对时间的________________的物理量，力越大，作用时间越长，冲量就越________。(4)单位：在国际单位制中，冲量的单位是________，符号为________。(5)矢量性：冲量是________(填“矢”或“标”)量。如果力的方向恒定，则冲量的方向与力的方向相同。2．动量定理(1)内容：物体在一个过程中所受力的冲量等于它在这个过程始末的______________。(2)表达式：I＝________或F(t′－t)＝________。1．对动量定理的理解(1)动量定理反映了合外力的冲量是动量变化的原因。(2)动量定理的表达式FΔt＝mv′－mv是矢量式，运用动量定理解题时，要注意规定正方向。(3)公式中的F是物体所受的合外力，若合外力是变化的力，则F应理解为合外力在作用时间内的平均值。(4)动量定理不仅适用于宏观物体的低速运动，而且对微观粒子的高速运动同样适用。2．动量定理、动能定理的区别(1)动量定理指出力在时间上的积累改变了物体的动量，动能定理指出力在空间上的积累改变了物体的动能。(2)动量定理是矢量式，动能定理是标量式。(1)作用在物体上的力很大，物体所受的冲量一定也很大。()(2)只要力的作用时间和力的大小的乘积相同，物体所受的冲量一定相同。()(3)用力推物体，但没有推动，则该力对物体的冲量为零。()(4)若物体在一段时间内动量发生了变化，则物体在这段时间内受到的合外力一定不为零。()(5)合力越大，动量变化越快。()二、动量定理的基本应用(一)用动量定理解释生活中的现象鸡蛋从同一高度自由下落，第一次落在泡沫塑料垫上，鸡蛋没被打破；第二次落在玻璃上，鸡蛋被打破，这是为什么？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例1(多选)利用动量定理对下列现象的解释，其中正确的是()A．击钉时，不用橡皮锤仅仅是因为橡皮锤太轻B．用手接篮球时，手往往向后缩一下，是为了减小冲量C．易碎品运输时，要用柔软材料包装，船舷常常悬挂旧轮胎，都是为了延长作用时间以减小作用力D．在车内推车推不动，是因为车(包括人)所受合外力的冲量为零例2如图所示，小明在演示惯性现象时，将一杯水放在桌边，杯下压一张纸条。若缓慢拉动纸条，发现杯子会滑落；当他快速拉动纸条时，发现杯子并没有滑落。对于这个实验，下列说法正确的是()A．缓慢拉动纸条时，摩擦力对杯子的冲量较小B．快速拉动纸条时，摩擦力对杯子的冲量较大C．为使杯子不滑落，杯子与纸条间的动摩擦因数应尽量大一些D．为使杯子不滑落，杯子与桌面间的动摩擦因数应尽量大一些根据动量定理FΔt＝p′－p＝Δp可知：(1)Δp一定，Δt短则F大，Δt长则F小；(2)F一定，Δt短则Δp小，Δt长则Δp大；(3)Δt一定，F大则Δp大，F小则Δp小。(二)动量定理的定量计算例3一个质量为0.18kg的垒球，以25m/s的水平速度飞向球棒，被球棒击打后，反向水平飞回，速度的大小为45m/s。若球棒与垒球的作用时间为0.002s，求球棒对垒球的平均作用力为多大？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例4如图，用0.5kg的铁锤钉钉子．打击前铁锤的速度为4m/s，打击后铁锤的速度变为0，设打击时间为0.01s，g取10m/s2。(1)不计铁锤所受的重力，铁锤钉钉子的平均作用力是多大？(2)考虑铁锤所受的重力，铁锤钉钉子的平均作用力是多大？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________