第47讲 光学实验（复习讲义）（四川专用）（学生版）

第47讲光学实验目录01TOC\o"1-3"\h\u考情解码·命题预警 202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 4知识点测量玻璃的折射率 4考向实验：测量玻璃的折射率 5考点二双缝干涉测量光的波长 14知识点双缝干涉测量光的波长 14考向实验：双缝干涉测量光的波长 1604真题溯源·考向感知 23考点要求考察形式2025年2024年2023年测量玻璃的折射率选择题非选择题\\\用双缝干涉实验测量光的波长选择题非选择题\\\考情分析：1．在四川高考中，“测量玻璃的折射率”与“用双缝干涉实验测量光的波长”这两个实验考查频率较低。在过去五年的选考试题里，均不怎么出现，但也要掌握。2．从命题思路上看，试题情景为关注学生对实验操作细节和规范的把握，通过考查实验步骤的正确顺序、实验仪器的使用方法、实验数据的测量和记录等内容，检验学生是否真正动手做过实验，培养学生严谨的科学态度。复习目标：目标一：仔细回顾实验操作步骤。目标二：深入理解双缝干涉实验测量光波长的原理，即利用两列相干光在光屏上叠加形成干涉条纹，通过条纹间距公式计算光的波长。考点一测量玻璃的折射率知识点测量玻璃的折射率1.实验原理如图所示，当光线AO以一定的入射角θ1穿过一块两面平行的玻璃砖时，通过法找出跟入射光线AO对应的出射光线，从而画出光从空气射入玻璃后的折射光线，求出折射角θ2，再根据n＝sinθ1sinθ22.实验器材木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、直尺（刻度尺）、铅笔。3.实验步骤（1）用图钉把固定在木板上。（2）在白纸上画一条直线aa'，并取aa'上的一点O为点，作过O点的法线MM'。（3）画出线段AO作为光线，并在AO上插上P1、P2两个大头针。（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的像被的像挡住，然后在眼睛这一侧插上大头针P3，使P3挡住的像，再插上P4，使P4挡住的像和P3。（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及出射点，连接O、O'得到线段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。4.数据分析（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。根据n＝sinθ1sinθ（2）图像法改变入射角θ1，测出对应的折射角θ2，作sinθ1-sinθ2的图像，由n＝sinθ1sinθ2可知图像应是过原点的直线（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，如图乙所示，sinθ1＝EHOE，sinθ2＝E'H'OE'，OE＝OE'＝R，则n＝sinθ1sin5.误差分析本实验误差主要来源于入射光线、出射光线确定的准确性以及入射角和折射角的测量造成的偶然误差。6.注意事项（1）实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O之间、P3与O'之间距离要一些。（2）入射角θ1不宜太大（接近90°），也不宜太小（接近0°）。（3）操作时手不能触摸玻璃砖的光洁，也不能把玻璃砖界面当尺子。（4）实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。（5）玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5cm以上，若宽度太小，则测量误差较大。考向实验：测量玻璃的折射率例1（2025·四川眉山·高三月考）章飞同学在学习光学时做了两个实验，他在用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，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的像被P2的像挡住，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)帮助章飞在图甲上补画出光路以及入射角i和折射角r；(2)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=。【变式训练1】（2025·四川达州·高三月考）如图甲所示，用插针法测定玻璃砖折射率的实验中(1)下列说法正确的是________A．必须选用上下表面平行的玻璃砖进行实验B．插上大头针P3时，使P3仅挡住C．为了减小作图误差，P3和PD．在bb'一侧始终无法观察到P1、P2的像，可能是由于α过大，致使光线在(2)在完成了光路图以后，一位同学用圆规和刻度尺，以O点为圆心，OA为半径画圆，交OO'延长线于B点，过A点和B点作垂直法线NN'的垂线，与法线的交点分别为C点和D点，如图乙所示。用刻度尺测得AC长度为6cm，BD长度为4cm，则玻璃砖的折射率n=(3)另一位同学在该实验中，为了防止笔尖碰到玻璃砖面而损伤玻璃，画出的玻璃砖界面aa'、bb'如图丙所示。其他操作均正确，该同学测得的折射率与真实值相比。（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）【变式训练2】（2025·四川德阳·高三月考）某同学在做“测定玻璃折射率”的实验时已经画好了部分图线，如图甲所示，并在入射光线AO上插上大头针P1、P2，现需在玻璃砖下表面折射出的光线上插上P3和P4大头针，便能确定光在玻璃砖中的折射光线。(1)确定P3位置的方法正确的是；A．透过玻璃砖，P3挡住P₂的像B．先插上P4大头针，在靠近玻璃砖一侧P3挡住P4的位置C．透过玻璃砖观察，使P3挡住P1、P2的像(2)在图甲中作出光线在玻璃砖中和出射后光线的光路图，并画出玻璃砖中光线的折射角θ2；(3)经过多次测量作出sinθ1−(4)若该同学在确定P4位置时，被旁边同学碰了一下，不小心把P4位置画的偏左了一些，则测出来的折射率（选填“偏大”“偏小”或“不变”）；【变式训练3】（2025·四川广安·高三月考）在“测量玻璃的折射率”实验中：(1)在“测量玻璃的折射率”实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面且相互平行，如图1所示。在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“+”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3A．P4需挡住P3及P1B．为减小作图误差，P3和PC．为减小实验误差，玻璃砖的宽度应适当大一些D．光可能在bb′发生全发射，导致观察不到P1、P(2)在该实验中，根据界面aa′测得的入射角θ1和折射角θ2的正弦值画出了图2所示图像，从图像可知该玻璃砖的折射率为(3)甲同学用学过的“插针法”测量透明半圆柱玻璃砖折射率。他每次使入射光线跟玻璃砖的直径平面垂直，O为玻璃砖截面的圆心，P1P2A． B．C． D．(4)乙同学将透明半圆柱玻璃砖放在水平面上，如图3所示。用一束激光垂直于玻璃砖直径平面射入圆心O，以O为转轴在水平面内缓慢转动玻璃砖，当转过角度θ时，在玻璃砖平面一侧恰看不到出射光线。则该玻璃的折射率n=。【变式训练4】请同学们完成下列两个实验中的填空。(1)某同学用“插针法”测一玻璃砖的折射率。①在木板上平铺一张白纸，并把玻璃砖放在白纸上，在纸上描出玻璃砖的两条边界。然后在玻璃砖的一侧竖直插上两根大头针P1、P2，透过玻璃砖观察，在玻璃砖另一侧竖直插大头针P3时，应使P3，用同样的方法插上大头针P4。②在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作一半径为5.00cm的圆，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。测得AC＝4.00cm，BD＝2.80cm，则玻璃的折射率n＝（计算结果保留2位有效数字）③在实验中，甲、乙两位同学在纸上画出的界面aa'、bb'与玻璃砖位置的关系分别如下图中①、②所示，其中甲同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖。他们的其他操作均正确，且均以aa'、bb'为界面画光路图。则甲同学测得的折射率与乙同学测得的折射率相比（填“偏大”“偏小”或“相等”）。(2)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，选取原、副线圈匝数分别为800和400，但是可拆变压器的“横梁”铁芯没装上；当原线圈接入12V的交流电时，副线圈输出电压U可能满足（）A．0V＜U＜6V B．U＝6VC．6V＜U＜12V D．U＝24V【变式训练5】如题图甲所示，光在介质1和介质2间折射时有n1①将待测宝石放在玻砖的圆心处，宝石与玻砖的接触面紧密贴合，中间空气不计；②左下方的圆弧形光源发出同一种光，光均沿半径方向对着玻砖圆心射入，玻砖的左边四分之一圆为亮区；③在玻砖的右边四分之一圆内会出现亮区及暗区，使得右下方的角度尺上出现明暗分区，读出明暗分界线所在位置的角度值，即可得到待测宝石的折射率。回答下列问题：(1)图甲中，θ1大于θ2，则相对于介质1，介质2是(2)图乙中，玻砖的折射率（选填“大于”或“小于”）待测宝石的折射率；(3)图乙中，已知玻砖的折射率为1.84，测得玻砖右边四分之一圆中明暗分界线与法线的夹角为67.1°，查得sin67.1°=0.921，则该待测宝石的折射率为【变式训练6】某同学利用如图1所示装置测量透明溶液的折射率。在转盘上共轴放置一圆柱形容器，容器被透明隔板平分为两部分，一半充满待测溶液，另一半是空气。一束激光从左侧沿直径方向入射，右侧放置足够大的观测屏。(1)首先让容器从图2（俯视图）所示位置开始逆时针匀速旋转，此时观测屏上无亮点，光线从隔板射到空气上时发生了（选填“折射”、“反射”、“全反射”）；(2)该同学测得转盘转动角速度为ω，随着转盘继续转动，亮点突然出现，并开始计时，经Δt后亮点消失。在Δt时间内，容器旋转角度θ(3)已知：光从折射率n1的介质射入折射率n2的介质，入射角与折射角分别为θ1与θ2，有sin考点二双缝干涉测量光的波长知识点双缝干涉测量光的波长1.实验原理单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中单色光波长λ与双缝间距d、双缝到屏的距离l、相邻两条亮（暗）条纹间距Δx之间满足λ＝。2.实验步骤（1）观察双缝干涉图样①将光源、、毛玻璃依次安放在光具座上，如图所示。②接好光源，打开开关，使灯丝正常发光。③调节各器件的高度和角度，使光源灯丝发出的光能沿轴线到达光屏。④安装单缝和双缝，尽量使缝的中点位于的轴线上，使单缝与双缝，二者间距约为5～10cm。⑤在单缝和光源间放上，观察单色光的干涉条纹。（2）测量单色光的波长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心，记下此时手轮上的读数a1，将该条纹记为第1条亮条纹；转动手轮，使分划板中心刻线移动至第n条亮条纹的中心，记下此时手轮上的读数an。③用刻度尺测量双缝与光屏间距离l（d是已知的）。④改变双缝间的距离d、双缝到屏的距离l，重复测量。3.数据分析（1）条纹间距Δx＝。（2）波长λ＝。（3）计算多组数据，求λ的平均值。4.误差分析（1）误差来源由于光波的波长很短，双缝到光屏的距离l和条纹间距Δx的测量是否准确对波长的测量影响很大，是本实验误差的主要来源。（2）减小误差的方法①l的测量：使用毫米刻度尺测量，可多测几次求平均值。②Δx的测量：使用测量头测量，测出n条亮条纹间的距离a，则Δx＝，同样可以多测几次求平均值，进一步减小实验误差。5.注意事项（1）安装时，注意使光源、透镜、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的上，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，并与单缝且靠近。（3）照在光屏上的光很弱，主要原因是灯丝、单缝、双缝、测量头及遮光筒不共轴；干涉条纹不清晰，一般原因是单缝与双缝不平行。考向实验：双缝干涉测量光的波长例1（2025·四川攀枝花·高三月考）某实验探究小组利用如图甲所示的实验装置进行“用双缝干涉测量光的波长”实验，实验步骤如下：（i）把遮光管架在支架环上，其轴线与光具座的导轨基本平行。（ii）在遮光管的一端装上双缝，并转动双缝座，使双缝与水平面垂直。再装好单缝管，使单缝与双缝平行。（iii）让灯泡灯丝及透镜中心与单缝中心等高。点亮灯泡，先把透镜移近单缝，直至在单缝面上见到灯丝的缩小像，然后把透镜移近灯泡，直至在单缝面上形成一放大的灯丝像，若灯丝的放大像不在单缝中心，则上下或左右调节灯泡，反复调节几次，使灯丝的放大像及缩小像均成像在单缝中心。（iv）在遮光管的另一端装上测量头。在单缝管上装上拨杆，边观察，边左右移动拨杆，以调节单缝与双缝平行，直至看到白光的干涉条纹最清晰。观察到中央为一条白色亮条纹，其余各级亮条纹都是彩色的。（v）在单缝前面加上红色或绿色_________即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，再调节目镜，就能同时清晰地看到分划线和干涉条纹，然后绕光轴转动测量头，使分划线与干涉条纹平行，固定好测量头后即可进行测量。（vi）先移动测量头上的手轮，把分划板中心线对准最左边的一条干涉亮条纹（或者暗条纹），并记下它在游标卡尺上的读数x1；然后转动手轮，把分划线移向右边，并对准第n条干涉亮条纹（或暗条纹），这时游标卡尺的读数为xn。（vii）从仪器上读出双缝中心的距离d，双缝至光屏的距离l。（viii）改变双缝中心距离d，重复上面的步骤，再测一次。据此回答以下问题：(1)步骤（iv）中观察到的彩色条纹的最外侧是（选填“红”或“紫”）色。(2)步骤（v）中空格处即甲图中P点处的器材应是。(3)根据实验步骤可知，测量出的光的波长λ=（用实验步骤中的物理量字母表示）。(4)在某次测量时，步骤（vi）中将测量头的分划板中心线与最左边第一条亮条纹中心对齐时，手轮上的示数为2.320mm；然后转动测量头，把分划板中心线移向右边，使分划板中心线与第5条亮纹中心对齐，此时手轮上的示数如图乙所示，为mm。已知双缝间距d=0.240mm，测得双缝到屏的距离l=600mm，则所测单色光的波长为m（结果保留两位有效数字）。【变式训练1】（2025·四川内江·高三月考）某同学用如图甲所示的装置，做“用双缝干涉测量光的波长”的实验，用白炽灯做光源。则：(1)图中光具座上标注的仪器a、b、c依次分别为__________。A．双缝、单缝和滤光片 B．单缝、滤光片和双缝C．滤光片、双缝和单缝 D．滤光片、单缝和双缝(2)已知双缝到光屏之间的距离L=500mm，双缝之间的距离为d=0.50mm，某次调节好测量头的两分划板中心线如图乙所示，两处示数如图丙所示，入射光的波长为(3)关于本次实验，下列说法正确的是__________。A．使用间距更大的双缝，目镜中看到的条纹条数增多B．若将单缝向左移动少许，条纹间距变大C．撤掉滤光片，光屏上将看不到干涉图样D．屏上所有亮线都是从双缝出来的两列光波的波峰与波峰叠加形成的，而所有暗线都是波谷与波谷叠加形成的【变式训练2】（2025·四川泸州·高三月考）某同学通过双缝干涉实验测量单色光的波长，实验装置如图所示，其中测量头包括毛玻璃、游标卡尺、分划板、手轮、目镜等。(1)该同学调整好实验装置后，在测量头中观察到的干涉条纹是______；A． B．C． D．(2)该同学想让测量头中观察到的条纹数目增多，可以将双缝到屏的距离（选填“增大”或“减小”）；(3)如图所示，调节分划板的位置，使分划板中心刻线对齐某亮条纹的中心，将该亮条纹定为第1条亮纹，此时螺旋测微器的读数为mm；(4)同方向转动手轮，使分划线向一侧移动，使分划板中心刻度线与第5条亮条纹对齐，记下此时螺旋测微器的读数为3.750mm，已知双缝间距d=1.3mm，双缝到屏的距离L=1m，则该单色光的波长为(5)在该实验中，若改用波长为7.5×10−7m的红光，屏上P点距双缝S1和S2的路程差为1.875×【变式训练3】（2025·四川资阳·高三月考）在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，实验装置如图甲所示。(1)以线状白炽灯为光源，对实验装置进行了调节并观察实验现象后，总结出以下几点：A．灯丝和单缝及双缝必须平行放置B．干涉条纹与双缝垂直C．干涉条纹疏密程度与双缝宽度有关D．干涉条纹间距与光的波长有关以上几点中你认为正确的是___________。(2)当测量头中的分划板中心刻线对齐某干涉条纹线时，手轮上的示数如图乙所示，该读数为mm。(3)如果测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，如图丙所示。则在这种情况下测量干涉条纹的间距Δx时，测量值【变式训练4】我们用如图甲所示的装置来做“用双缝干涉测量光的波长”的实验。（1）将实验仪器按要求安装在光具座上，则在图甲中A、B处分别应该安装的器材和滤光片的位置分别是。A．A处为双缝、B处为单缝，滤光片在光源和凸透镜之间B．A处为单缝、B处为双缝，滤光片在A和B之间C．A处为双缝、B处为单缝，滤光片在遮光筒内D．A处为单缝、B处为双缝，滤光片在凸透镜和A之间（2）若在实验当中，某同学观察到图乙所示图像，即测量头中的分划板中心刻线与干涉条纹不在同一方向上，若继续移动目镜观察，将会使测量结果出现偏差，所以需要对仪器进行调整，使干涉条纹与分划板中心刻线在同一方向上，下面操作中可行的有。A．调节拨杆方向B．其他不动，测量头旋转一个较小角度C．其他不动，仅转动手轮（3）已知双缝间距离d=0.20mm，双缝到毛玻璃屏间的距离为l=75.0cm，如图丙所示，实验时先转动测量头上的手轮，使与游标卡尺相连的分划线对准图丁所示的第1条亮条纹，此时游标卡尺的主尺和游标尺的位置如图戊所示，然后再转动手轮，使与游标卡尺相连的分划线向右边移动，直到对准图丁所示第5条亮条纹，此时游标卡尺的主尺和游标尺的位置如图己所示，图己中该游标卡尺的读数x2=mm。由以上已知数据和测量数据，则该单色光的波长是m。【变式训练4】在多个玻璃片上涂墨汁，晒干后用刀片分别划出两条相距不远的直缝，做成多个双缝。按如图所示的装置，让激光束通过自制的双缝，观察在光屏上出现的现象。（1）保持玻璃片到光屏的距离不变，换用两条直缝间距不同的玻璃片。两条直缝间距越大，光屏上明暗相间的条纹间距（选填“越大”或“越小”）。（2）用不同颜色的光照射用同一玻璃片，保持光屏与玻璃片位置不变。用红光照射时屏上明暗相间条纹的间距比用蓝光照射时条纹的间距（选填“大”或“小”）。（3）若所用激光的波长为5.300×10−7m，屏上某点P距玻璃片上两条直缝S1和S2的路程差为1.855×10−6m（图中未标出P、1.（2024·浙江·高考真题）如图所示，用“插针法”测量一等腰三角形玻璃砖（侧面分别记为A和B、顶角大小为θ）的折射率。①在白纸上画一条直线ab，并画出其垂线cd，交于O点；②将侧面A沿ab放置，并确定侧面B的位置ef③在cd上竖直插上大头针P1和P2，从侧面B透过玻璃砖观察P1和P2，插上大头针P3，要求P3能挡住（选填“P1”、“P2”或“P1和P2”）的虚像；④确定出射光线的位置（选填“需要”或“不需要”第四枚大头针；⑤撤去玻璃砖和大头针，测得出射光线与直线ef的夹角为α，则玻璃砖折射率n=。2.（2024·安徽·高考真题）某实验小组做“测量玻璃的折射率”及拓展探究实验．(1)为测量玻璃的折射率，按如图所示进行实验，以下表述正确的一项是________。（填正确答案标号）A．用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和aB．在玻璃砖一侧插上大头针P1、P2，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使P2把P1挡住，这样就可以确定入射光线和入射点O1。在眼睛这一侧，插上大头针P3，使它把P1、P2都挡住，再插上大头针PC．实验时入射角θ1(2)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