实验：测量玻璃的折射率2025-2026学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

第四章光1.光的折射第2课时实验：测量玻璃的折射率学习目标1.会用“插针法”确定入射光线、折射光线。(科学探究)2.会用公式法、图像法(sinθ1-sinθ2图像)求折射率。(科学探究)3.会控制实验误差。(科学探究)基础落实·必备知识全过关

插两针(两点)确定一直线(光线)入射角适当大一些但不宜过大

四、实验步骤1.如图所示,将白纸用图钉钉在平木板上。2.在白纸上画出一条直线aa'作为界面(线),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.把长方形玻璃砖放在白纸上,使它的长边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一边bb'。4.在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线方向直到P2的像挡住P1的像,再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3及P1、P2的像,记下P3、P4的位置。

5.移去大头针和玻璃砖,过P3、P4所在处作直线O'B与bb'交于O',直线O'B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。6.连接OO',入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O'ON',用量角器量出入射角和折射角。7.改变入射角重复实验。保证入射光线和折射光线的对应性

3.单位圆法:在不使用量角器的情况下,可以用画单位圆法。(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E'H',如图所示。

六、实验误差1.入射光线和出射光线画得不够精确。因此,要求插大头针时两大头针间距应稍大些。2.入射角、折射角测量不精确。减小测角时的相对误差的方法:①入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大时,反射光较强,折射光会相对较弱;②玻璃砖的宽度宜选5cm以上的。易错辨析(1)在做用插针法测量玻璃的折射率的实验时,尽可能将大头针竖直插在纸上,且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。(

)(2)用插针法测量玻璃的折射率实验中,入射角θ1大一些可以减小测量角度的误差,故θ1越大越好。(

)(3)用插针法测量玻璃的折射率实验中,操作时,手不能触摸玻璃砖的光学面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。(

)(4)用插针法测量玻璃的折射率实验中,作出入射角和折射角的sin

θ1-sin

θ2图像,图像的斜率为折射率。(

)(5)用插针法测量玻璃的折射率实验中,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。(

)√×解析

θ1大一些可以减小测量角的误差,但θ1过大折射光线强度变弱,不便于观察。√√√重难探究·能力素养全提升探究点一实验原理与操作典例剖析【例题1】

(2024湖北武汉高二期中改编)(1)几位同学做“用插针法测量玻璃折射率”的实验,如图甲所示,直线aa'、bb'表示在白纸上画出的玻璃砖的两个界面。某位同学进行了如下操作:A.选定的玻璃砖两个光学面aa'与bb'不平行B.用笔在白纸上沿着玻璃砖上侧和下侧分别画出直线a和a'C.实验时入射角θ1尽量小一些

上述操作正确的是__________。

损伤玻璃面

增大测量角的误差

甲A解析

该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,故A正确;在白纸上画出一条直线aa'作为界面,把长方体玻璃砖放在白纸上,使它的一个长边与aa'对齐,用直尺或者三角板轻靠在玻璃砖的另一长边,按住直尺或三角板不动,将玻璃砖取下,画出直线bb'代表玻璃砖的另一边,而不能用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线aa'和bb',故B错误;实验时入射角θ1应尽量大一些,但也不能太大(接近90°),以减小实验误差,故C错误。(2)在用插针法测玻璃砖折射率的实验中,已确定好入射方向AO,插了两枚大头针P1和P2,如图乙所示(①②③是三条直线)。下列操作正确的是__________。

光线经过平行玻璃砖后发生折射,不可能在③线上

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线上乙

B解析

由折射定律得知,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,如图所示,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。绿光的折射角小于红光的折射角

(3)为探究介质折射率与光的频率的关系,分别用一束红光和一束绿光从同一点入射到空气与玻璃的分界面。保持相同的入射角,根据实验结果作出光路图,并标记红光和绿光,如图丙所示,此实验初步表明:对于同一种介质,折射率与光的频率有关。频率大,折射率_________(选填“大”或“小”)。

大

(4)为探究折射率与介质材料的关系,用同一束微光分别入射玻璃砖和某透明介质,如图丁、戊所示。保持相同的入射角α1,测得折射角分别为α2、α3(α2<α3),则玻璃和该介质的折射率大小关系为n玻璃_________(选填“>”或“<”)n介质。此实验初步表明:对于一定频率的光,折射率与介质材料有关。

>

对点演练1.如图所示,某同学欲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,一定需要用刻度尺测量__________(用上述所给物理量的字母表示),则玻璃砖的折射率可表示为__________。

l1、l3

探究点二数据处理与误差分析典例剖析【例题2】

(2025山东东营高二期末)在“测量玻璃的折射率”实验中:(1)小红同学在测量入射角和折射角时,由于没有量角器,在完成了光路图以后,她以O点为圆心,OA为半径画圆,交OO'延长线于C点,过A点和C点作垂直于法线的直线分别交法线于B点和D点,如图所示,她测得lAB=6.4cm,lCD=4cm,则可求出玻璃的折射率n=__________。

1.6

(2)小明在画界面时,①不小心将两界面aa'、bb'间距画得比玻璃砖的宽度稍大些,如图所示,则他测得的折射率__________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。

偏小

解析

光路图如图所示

②如图所示,若在画好玻璃砖界面两条直线aa'和bb'后,不慎误将玻璃砖向上移至图中虚线位置,其他操作均正确,则测出的折射率将__________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。

不变

解析

题图丙所示的光路图如图所示作出的折射光线如图中①线所示,②线表示实际光线,入射角和折射角都不变,则由折射定律可知,折射率不变。对点演练2.某小组做测定玻璃的折射率实验,所用器材:玻璃砖、大头针、刻度尺、圆规、笔、白纸。(1)下列措施能够提高实验准确程度的有__________;

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AD解析

在插针法测定玻璃的折射率实验中,使用两光学面间距大的玻璃砖能更准确地确定玻璃砖内光线的位置,有利于减小实验误差,而两光学面是否平行对测量折射率没有影响,A正确,B错误;插针时要求后插的针挡住先插的针或先插的针的像,故选用细一点的大头针能更准确地确定光线位置,提高实验精确度,C错误;实验中是根据同侧两枚大头针的连线来确定入射光线或出射光线,故距离大些更好,D正确。

(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__________;

D解析

由题图可知实验使用的是平行玻璃砖,故出射光线应该与入射光线平行,选项A出射光线与入射光线在同一直线上,选项B、C中出射光线与入射光线不平行,故只有D正确。(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)

探究点三实验的改进创新典例剖析【例题3】

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。如图所示,若水面恰与刻度尺的C点相平,则__________和__________________分别等于入射角和折射角。

∠OAC∠OB'C或∠OBC(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=___________________________。

ACAB

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)图中P3、P4两位置中,__________(选填“P3”或“P4”)所对应的折射率的值大。

(3)作AO的延长线交圆周于K,K处所对应的折射率的值应为__________。

P41

学以致用·随堂检测全达标121.(实验原理与操作)在测量玻璃折射率的实验中,操作步骤如下,请在横线上将实验内容补充完整。(1)先在白纸上画出一条直线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;(2)把长方形玻璃砖放在白纸上,使它的长边跟aa'对齐。在白纸上画出玻璃砖的另一个界面bb';(3)在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2,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。再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2