第47讲 光学实验（复习讲义）（安徽专用）（教师版）

第47讲光学实验目录TOC\o"1-4"\h\z\u01考情解码·命题预警 102体系构建·思维可视 303核心突破·靶向攻坚 4考点一测量玻璃的折射率基本原理与操作 4知识点1原理及操作 4知识点2数据处理 4知识点3注意事项及误差 5考向测量玻璃的折射率 5考点二测量玻璃的折射率创新实验方案 8知识点创新方案 8考向测量玻璃的折射率创新考法 9考点三双缝干涉实验基本原理与操作 11知识点1原理装置图及操作 11知识点2数据处理及注意事项 12考向用双缝干涉实验测量光的波长12考点四双缝干涉实验创新实验方案 15知识点实验创新方案 15考向双缝干涉实验创新实验考法 1504真题溯源·考向感知 17

考点要求考频2025年2024年2023年测量玻璃的折射率简单应用\2024.安徽T11\考情分析：1.命题形式：单选题非选择题2.命题分析：各地高考对测量玻璃的折射率、双缝干涉实验测量光的波长这两个实验的考查近几年频度不是太高，考查多在原型实验的所用原理的基础之上，通过创新实验的方式予以考查。3.备考建议：本讲内容备考时候，理解和掌握测量玻璃的折射率、双缝干涉实验测量光的波长实验原理，并会做出必要的误差分析，且能通过玻璃砖拓展到其他形状的玻璃并进行探究。4.命题情境：①生活实践类：测量眼镜镜片折射率，解释宝石“闪耀”原理与折射率关系等；②学习探究类：测量光学玻璃透镜材料折射率，隐形眼镜材料折射率测量等。5.常用方法：插针法复习目标：1.掌握测量玻璃折射率、双缝干涉实验测量光的波长的原理及方法。2.学会用插针法确定光路，并会测量玻璃的折射率。考点一测量玻璃的折射率基本原理与操作知识点1原理及操作【实验原理】如实验原理图所示，当光线AO1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AO1对应的出射光线O2B，从而求出折射光线O1O2和折射角θ2，再根据n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)或n＝eq\f(PN,QN′)算出玻璃的折射率。【实验器材】玻璃砖、白纸、木板、大头针、图钉、量角器(或圆规)、三角板、铅笔。【实验步骤】1．如图所示，把白纸铺在木板上。2.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。3．把长方形玻璃砖放在白纸上，并使其长边与aa′重合，再用直尺画出玻璃砖的另一边bb′。4．在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2。5．从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线的方向直到P1的像被P2的像挡住。再在bb′一侧插上两枚大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P3本身及P1、P2的像。6．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。7．改变入射角，重复实验。知识点2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)图像法：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作出sinθ1­sinθ2的图像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知图像应是过原点的直线，如图所示，其斜率为折射率。(3)“单位圆法”：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。知识点3注意事项及误差1．注意事项(1)玻璃砖要用厚度较大的。(2)入射角不宜过大或过小，一般控制在30°到60°之间。(3)大头针要竖直插在白纸上，且距离应适当大一些。(4)玻璃砖的折射面要画准，不能用玻璃砖界面代替直尺画界线。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。(2)入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当大些，以减小测量的相对误差。考向测量玻璃的折射率例1如图所示，某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中，先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面和。为直线与的交点。在直线上竖直地插上、两枚大头针。(1)该同学接下来要完成的必要步骤有__________A．插上大头针，使仅挡住的像B．插上大头针，使挡住的像和的像C．插上大头针，使仅挡住D．插上大头针，使挡住和、的像(2)过、作直线交于，过作垂直于的直线，连接。测量图中角和的大小。则玻璃砖的折射率；(3)如图所示，该同学在实验中将玻璃砖界面和的间距画斜了。若其他操作正确，则折射率的测量值准确值（选填“大于”、“小于”或“等于”）。【答案】(1)BD(2)(3)小于【详解】（1）该同学接来要完成的必要步骤有：确定大头针的位置的方法是插上大头针，使能挡住、的像，确定大头针的位置的方法是大头针能挡住和、的像，故该同学接下来要完成的必要步骤是BD。故选BD。（2）根据折射定律，可得玻璃砖的折射率为（3）如图为在图中分别做出的实际光路图（图中实线）和以、界面，以大头针留的痕迹做出出射画的实验光路图（图中虚线）比较实地光路图的折射角与实验图的折射角关系，可知：折射角测量值偏大，则折射率偏小。【变式训练】（2025·宁夏吴忠盐池·一模）方解石是自然界中的一种天然矿物，其晶体内部具有各向异性，使得光线射入其中后会分解为两束沿不同方向折射的光线，出现双折射现象。冰洲石是透明的方解石，主要用于制造高精度光学仪器。某实验小组尝试利用插针法测量一矩形冰洲石砖的两个折射率。(1)实验步骤如下：①在水平桌面上的白纸上画出直线，将冰洲石砖一边沿直线放置，并描出冰洲石砖的另一边，如图。②在冰洲石砖上侧插上大头针和，两者连线的延长线可以确定入射光线和入射点。③眼睛在另一侧透过冰洲石砖看两个大头针，发现和均有两个像，使的两个像分别挡住的两个像。针对第一组像，插入大头针，使得其将和的第一组像都挡住，再插大头针，使其挡住（选填“”、“和的第一组像”或“和、的第一组像”）。和连线的延长线可以确定出射光线和出射点。④使用同样的步骤，针对冰洲石砖折射的第二组像在纸上插入大头针和，两者连线的延长线可以确定出射光线和出射点。⑤拿去冰洲石砖，连接和，即是冰洲石砖双折射现象的两条折射光路。⑥在点、点和点做垂直于边界的法线，从而可以确定入射角以及两个折射角和。(2)若折射光对应的折射率为，折射光对应的折射率为，则（选填“>”“=”或“<”），（用和表示）；(3)实验小组成员测量双折射率后发现测量所得的两折射率值均与真实数据有一定的误差，关于实验误差下列说法正确的是___________A．放置冰洲石砖时，冰洲石砖平行于直线但是位置在直线上方，可能会导致实验测得两折射率均偏大B．入射角越小实验误差越小C．激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差【答案】(1)和、的第一组像(2)(3)C【详解】（1）对于第一组像要求和在同一直线上从而确定入射光线，要求和在同一直线上从而确定出射光线。由于光沿直线传播，在大头针可以挡住和、的第一组像时，即表示同一条光线。（2）[1]根据折射率可得，由图像可知，则有，[2]（3）A．若冰洲石砖平行于直线但是位置在直线上方，则会导致测量所得的折射角大于真实的折射角，从而导致实验测得折射率小于真实的折射率，故A错误；B．入射角过小会导致测量误差增大，从而导致实验误差较大，故B错误；C．插针法是观察可见光在物体表面反射的光线来进行的实验，激光的平行度更好，相比较插针法测量折射率更有利于减小误差，故C正确。故选C。考点二测量玻璃的折射率创新实验方案知识点创新方案1.实验器材创新2.实验数据处理创新考向测量玻璃的折射率创新考法例1．如图所示，用插针法测定半圆形玻璃砖的折射率实验中，主要实验步骤有：A、将木板放在水平桌面上，木板上平铺一张白纸，在白纸上作出一条直线，然后把半圆形玻璃砖放在白纸上，使得直线过玻璃砖圆心点并与半圆形玻璃砖的直径垂直；B、在玻璃砖上按图示位置插上四枚大头针，使大头针的连线与点共线，恰能挡住的像，恰能挡住的像和；C、移走玻璃砖和大头针，用直尺画出直线和直线；D、以点为圆心，画一个半径为的圆，圆周与直线和直线分别相交于a、b两点，过a、b两点分别作的垂线交于两点，用直尺测得。回答下列问题：(1)设入射角和折射角分别为和，则，。（用表示）(2)玻璃砖的折射率；(3)设光在真空中的传播速度为，则光在玻璃砖中的传播速度。【答案】(1)(2)(3)【详解】（1）[1]根据几何关系，入射角的正弦[2]折射角的正弦（2）根据折射定律代入数据得（3）由可得【变式训练】（24-25高三下·云南玉溪部分学校·高考模拟）如图所示，某玻璃砖的横截面为四分之一圆，一同学现用插针法测量其折射率。（1）在白纸上画直线AB、BC、DE，使，。（2）将玻璃砖的两直角边沿AB、BC放置，将AC圆弧与DE的交点记为P。（3）在DE上AB左侧插上大头针，在AC圆弧右侧插上大头针，使挡住的像，且与间距及与P间距宜适量（选填“大”或“小”）一点。（4）移走玻璃砖，连接，连接BP并延长作为法线。（5）测得BP与DE的夹角为α，与DE的夹角为β。（6）玻璃砖的折射率为。（7）在步骤（3）中，若该同学在插上大头针前不小心将玻璃砖向左平移了少许，位置如图中虚线所示，但该同学没发觉，其他操作均无误，则该同学所测得的折射率。（选填“偏大”“偏小”或“不变”）【答案】大偏大【详解】（3）[1]为了减小误差，与间距及与P间距宜适量大一点。（6）[2]由图可知，光线经P的折射的入射角为，折射角为，玻璃砖的折射率为（7）[3]如图，将玻璃砖向左平移后插上大头针会比原位置向下偏移，则折射角测量值偏大，结合小问2可知，则该同学所测得的折射率偏大。考点三双缝干涉实验基本原理与操作知识点1原理装置图及操作【实验原理】单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)条纹间的距离Δx与双缝间的距离d、双缝到屏的距离l、单色光的波长λ之间满足λ＝eq\f(d·Δx,l)。【实验器材】双缝干涉仪(由光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头组成)，另外还有学生电源、导线、刻度尺。【实验步骤】1．观察干涉条纹(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安装在光具座上，如图所示。(2)接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。(3)调节各器件的高度，使光源发出的光能沿轴线到达光屏。(4)安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5cm～10cm，这时，可观察白光的干涉条纹。(5)在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的干涉条纹。2．测定单色光的波长(1)安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹。(2)使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央，记下手轮上的读数a1，将该条纹记为第1条亮纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2，将该条纹记为第n条亮纹。(3)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)。(4)重复测量。知识点2数据处理及注意事项1．数据处理(1)条纹间距Δx＝eq\f(an－a1,n－1)。(2)波长λ＝eq\f(d,l)Δx。(3)计算多组数据，求λ的平均值。2．注意事项(1)安装时，要保证光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且间距适当。(2)光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。(3)调节的基本依据：照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝与单缝、双缝，测量头与遮光筒不共轴；干涉条纹不清晰，一般原因是单缝与双缝不平行。考向用双缝干涉实验测量光的波长例1（24-25高三下·安徽五校·5月联考）在某次利用图甲所示的装置测量某种单色光的波长。实验时，接通电源使光源正常发光，调节器材，在目镜中可以观测到干涉图样。(1)该同学通过测量头的目镜观察单色光的干涉图样时，发现里面的条纹与分划板竖线未对齐（如图乙所示），若不调节两者平行，将使得波长的测量结果_________（填标号）。A．偏大 B．偏小 C．无影响 D．无法判断(2)下列实验采用的方法与本实验类似方法的是_________。A．“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中关于合力的测量B．“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中弹簧的形变量的测量C．“用单摆测重力加速度”的实验中关于单摆周期的测量D．“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中一滴油酸酒精溶液体积的测量(3)条纹调节完毕后，移动测量头，使分划板的中心刻线对准第2条亮纹的中心，记下此时测量头读数；转动测量头，使分划板的中心刻线向右移动对准第条亮纹的中心，此时手轮上的读数为，已知双缝与屏的距离为，双缝间距为，则单色光的波长。(4)若把该装置整体放入纯净水中（不考虑水中杂质的影响），用同样的光源做实验，条纹间距将（填“变大”“变小”或“无影响”）【答案】(1)A(2)CD(3)(4)变小【详解】（1）根据双缝干涉条纹间距公式，条纹与分划板竖线未对齐时，测量的条纹间距偏大，由波长可得，偏大则波长测量结果偏大。故选A。（2）光的双缝干涉测波长是通过测量多个条纹间距求平均值减小误差，属于放大测量求平均值法。A．“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中关于合力的测量，用的等效替代法，故A不符合题意；B．“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中弹簧的形变量的测量，属于多次求平均值，故B不符合题意；C．“用单摆测重力加速度”的实验中关于单摆周期的测量，属于放大测量求平均值法，故C符合题意；D．“用油膜法估测油酸分子大小”的实验中一滴油酸酒精溶液体积的测量，属于放大测量求平均值法，故D符合题意。故选CD。（3）由题可得，相邻亮条纹间的间距由可得（4）光在水中的波速变小，频率不变，由可知光在水中波长变小，根据，变小则条纹间距变小。【变式训练】（2025·安徽A10联盟·高考预测一）某同学通过双缝干涉实验测量单色光的波长，实验装置如图甲所示，其中测量头包括毛玻璃、游标尺、分划板、手轮、目镜等。(1)在安装好实验装置后，发现虽然光源亮度很高，但是目镜观察到的条纹比较模糊，要得到清晰的条纹，进行的操作是__________；（填选项前字母）A．拆除目镜 B．取走凸透镜 C．调节拨杆使单缝与双缝平行(2)如果观测到如图乙所示的干涉条纹，直接进行测量，则测得光的波长会（填“偏大”或“偏小”）；(3)经过正确调整后，将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图丙中a图所示，然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，此时手轮上的示数如图丙中b图所示，则相邻亮条纹的间距mm。【答案】(1)C(2)偏大(3)2.310【详解】（1）在安装好实验装置后，发现虽然光源亮度很高，但是目镜观察到的条纹比较模糊，要得到清晰的条纹，进行的操作是调节拨杆使单缝与双缝平行。故选C。（2）条纹与分划板中心刻线不平行时，实际值为条纹与分划板中心竖直刻线间的夹角，则有根据可得，可知测得光的波长会偏大。（3）螺旋测微器的精确值为，由图a、b可得第1条亮纹、第6条亮纹对应的读数分别为则相邻亮条纹的间距为考点四双缝干涉实验创新实验方案知识点实验创新方案(1)利用凸透镜的聚光作用提升干涉条纹的亮度。(2)利用光传感器与计算机结合得到干涉图样光强分布图。考向双缝干涉实验创新实验考法例1（24-25高三下·安徽六安一中·学业水平考试）（1）某同学利用图（甲）所示的装置研究光的干涉和衍射，将刀片在涂有墨汁的玻璃片上划过便可得到单缝、不同间距双缝的缝屏，光电传感器可用来测量光屏上光强的分布。①某次实验时，在电脑屏幕上得到图（乙）所示的两种光a、b的光强分布，这位同学在缝屏上安装的是（选填“单缝”或“双缝”）。由该图像两条曲线的特征可知（填选项）。A．以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，a光侧移量小B．若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差小C．以相同的入射角从水中射入空气，在空气中只能看到一种光时，一定是a光D．分别照射在同一金属板，若b光能引起光电效应，a光也一定能②当做干涉现象研究时，选用间距较大的双缝相比于间距较小的双缝，在光屏上可观察到的条纹个数（选填“更多”、“更少”或“一样多”）【答案】单缝D更多【知识点】Δx=Lλ/d公式简单计算、单缝衍射和小孔衍射图样【详解】①[1]由图乙可知，条纹中间宽，两边窄，是衍射条纹，这位同学在缝屏安装的是单缝。[2]A．由于a光衍射条纹间距较小，则a光波长较短。根据，a光频率较大。在同一介质中，频率大的光折射率大，因此a光折射率更大，偏转角度更大。因此以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，a光侧移量大，故A错误；B．a光频率较大，由知，若两光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大，故B错误；C．a光频率较大，折射率较大，根据知a光临界角较小，以相同的入射角从水中射入空气，光先发生全反射，在空气中只能看到一种光时，一定是b光，故C错误；D．当入射光的频率大于金属板的极限频率时，金属板上的电子就会逸出光电子，a光频率较大，分别照射在同一金属板，若b光能引起光电效应，a光也一定能，故D正确。②[3]根据可知选用间距较大的双缝相比于间距较小的双缝，条纹间距小，在光屏上可观察到更多条纹个数。【变式训练】（2025·山东青岛·三模）图甲为用光传感器做双缝干涉实验的装置，单色光源在铁架台的最上端，中间是刻有双缝的挡板，下面带有白色狭长矩形的小盒是光传感器，沿矩形长边分布着许多光敏单元，传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后，在显示器上显示出来。某实验小组要用该装置在暗室里检测一块玻璃板的厚度是否均匀，若厚度不均匀，进一步精确测量其厚度差。（计算结果均保留2位有效数字）请回答下面问题：(1)该小组同学检测前先测量所用单色光的波长：调整双缝的高度和光传感器位置，显示器上显示的干涉条纹光强分布如图乙中的实线所示，则相邻两条亮纹（或暗纹）间距Δx=mm；该小组又测得双缝到光传感器的距离L=53.33cm，已知双缝间距d0=0.25mm，则该单色光的波长λ=m；(2)保持双缝和光传感器的位置不变，将玻璃板紧贴挡板放置，如图丙所示，此时显示器上显示的干涉条纹光强分布如图乙中的虚线所示，说明（选填“S1”或“S2”）处玻璃板较厚。已知玻璃板对该单色光的折射率为n=1.5，则S1与S2两处玻璃板的厚度差Δd=m。【答案】(1)1.67.5×10-7(2)S23.0×10-6【详解】（1）[1]由图可知，相邻亮条纹间距为[2]根据条纹间距公式可得（2）[1]当玻璃板紧贴挡板放置时，光线通过玻璃板后会产生光程差，由于玻璃对光的折射率大于空气，光在玻璃中传播的速度较慢，因此通过玻璃板的光线的光程增大，由乙图可知，干涉条纹向右移动，说明光线通过S2处玻璃板后的光程比S1长，所以S2处玻璃较厚；[2]由乙图可知，条纹移动了两个条纹间距，则，代入数据解得1．（2024·湖北·高考真题）某同学利用激光测量半圆柱体玻璃砖的折射率，具体步骤如下：①平铺白纸，用铅笔画两条互相垂直的直线和，交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴，并使其圆心位于O点，画出玻璃砖的半圆弧轮廓线，如图（a）所示。②将一细激光束沿CO方向以某一入射角射入玻璃砖，记录折射光线与半圆弧的交点M。③拿走玻璃砖，标记CO光线与半圆弧的交点P。④分别过M、P作BB'的垂线、，、是垂足，并用米尺分别测量、的长度x和y。⑤改变入射角，重复步骤②③④，得到多组x和y的数据。根据这些数据作出图像，如图（b）所示。(1)关于该实验，下列说法正确的是_____（单选，填标号）。A．入射角越小，误差越小B．激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差C．选择圆心O点作为入射点，是因为此处的折射现象最明显(2)根据图像，可得玻璃砖的折射率为（保留三位有效数字）。(3)若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径，则折射率的测量结果（填“偏大”“偏小”或“不变”）。【答案】(1)B(2)1.57(3)不变【详解】（1）A．入射角适当即可，不能太小，入射角太小，导致折射角太小，测量的误差会变大，故A错误；B．激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差，故B正确；C．相同的材料在各点的折射效果都一样，故C错误。故选B。（2）设半圆柱体玻璃砖的半径为，根据几何关系可得入射角的正弦值为