光学实验(实验课)讲义高中物理第一轮复习

1/1第73课时光学实验(实验课)[学习目标]1．掌握测量折射率的原理方法。2．观察单色光的双缝干涉图样，掌握测量头测量条纹间距的方法。3．会用Δx＝Ldλ(一)测量玻璃的折射率一、实验目的1．测量玻璃的折射率。2．学会用插针法确定光路。二、实验原理如图所示，当光线AO以一定的入射角i穿过两表面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O'B，从而确定折射光线OO'和折射角r，再根据n＝sini三、实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针(四枚)、图钉(四枚)、量角器(或圆规)、三角板(或直尺)、铅笔。四、实验步骤1．首先把白纸铺在木板上并用图钉将白纸固定。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．把长方体玻璃砖放在白纸上，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、P4四枚大头针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径迹。∠AON为入射角，∠O'ON'为折射角。7．改变入射角，重复实验。五、数据处理1．计算法用量角器测量入射角i和折射角r，并查出其正弦值sini和sinr。算出不同入射角的sinisinr2．作sini-sinr图像改变不同的入射角i，测出不同的折射角r，作sini-sinr图像，由n＝sinisinr可知图像应为直线，六、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、P3与O'之间距离要稍大一些。2．入射角i不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°)。太大：反射光较强，折射光较弱；太小：入射角、折射角测量的误差较大。3．操作时，手不能触摸玻璃砖光洁的光学面，更不能把玻璃砖界面当尺子画边界线。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。七、误差分析1．入射光线、出射光线的确定造成误差，故入射侧、出射侧所插的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，以减小测量误差。类型1教材原型实验[典例1](2024·安徽卷)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，按如图甲所示进行实验，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a'B．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P4，使它把P1、P2、P3都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点O2C．实验时入射角θ1应尽量小一些，以减小实验误差(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。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，如图乙所示。此实验初步表明：对于同一种介质，折射率与光的频率有关。频率越大，折射率越______(选填“大”或“小”)。(3)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，如图丙、丁所示。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。方法技巧：“单位圆法”计算折射率n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P点，交折射光线OO'于Q点，过P作CD的垂线PN，过Q作CD的垂线QN'，如图所示，则sini＝PNOP，sinr＝QN'OQ，又OP＝OQ＝R，则n＝sinisinr＝PNQ类型2探索创新实验[典例2](2025·福建卷)(1)为测糖水的折射率与浓度的关系，设计如下实验：某次射入激光，测得数据如图甲所示，则糖水的折射率为________________。(2)改变糖水浓度，记录数据如表：n1.321.341.351.381.42η(%)10%20%30%40%50%将30%的数据在图乙中描点后并连线，糖水浓度每增加10%，折射率的增加值为________(保留两位有效数字)。【创新点解读】本实验创新点在于测糖水的折射率与浓度的关系，既有测折射率，又有糖水浓度变化时其折射率也变化。(二)用双缝干涉测量光的波长一、实验目的1．了解光波产生稳定的干涉现象的条件。2．观察白光和单色光的双缝干涉图样。3．测定单色光的波长。二、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＝d·Δ三、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。四、实验步骤1．观察干涉条纹(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上，如图所示。(2)接好电源，打开开关，使灯丝正常发光。(3)调节各器件的高度，使光源灯丝发出的光能沿遮光筒的轴线到达光屏。(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5～10cm，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条亮条纹；转动手轮，使分划板中心线移动至另一亮条纹的中央，记下此时手轮上的读数a2；将该条亮条纹记为第n条亮条纹，则相邻两亮条纹间距Δx＝a2(3)用刻度尺测量双缝到光屏间的距离l(d是已知的)。(4)重复测量、计算，求出波长的平均值。五、数据处理1．条纹间距Δx＝a22．波长λ＝dlΔx3．计算多组数据，求λ的平均值。六、注意事项1．双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，且注意保养。2．安装时，应调节光源、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。3．光源灯丝最好为线状灯丝，并与单缝平行且靠近。4．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所致；干涉条纹不清晰的一般原因是单缝与双缝不平行。故应正确调节。类型1教材原型实验[典例3](2024·河北卷节选)某同学通过双缝干涉实验测量单色光波长，实验装置如图所示，其中测量头包括毛玻璃、游标尺、分划板、手轮、目镜等。该同学调整好实验装置后，分别用红色、绿色滤光片对干涉条纹进行测量，并记录第一条和第六条亮纹中心位置对应的游标尺读数，如表所示：单色光类别x1/mmx6/mm单色光110.6018.64单色光28.4418.08根据表中数据，判断单色光1为________(选填“红光”或“绿光”)。类型2探索创新实验[典例4]洛埃德在1834年提出了一种更简单的观察干涉的装置。如图所示，单色光从单缝S射出，一部分入射到平面镜后反射到屏上，另一部分直接投射到屏上，在屏上两光束交叠区域里将出现干涉条纹。单缝S通过平面镜成的像是S'。(1)通过洛埃德镜在屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹，这和双缝干涉实验得到的干涉条纹一致。如果S被视为其中的一个缝，______相当于另一个“缝”。(2)实验中已知单缝S到平面镜的垂直距离h＝0.15mm，单缝到光屏的距离D＝1.2m，观测到第3个亮条纹中心到第12个亮条纹中心的间距为22.78mm，则该