(完整版)高中物理选修3-4实验操作及试题

1物理选修3-4实验实验1.测得玻璃的折射率【知识要点】一、实验目的1．测定玻璃的折射率．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＝sinθ1sinθ2或n＝PNQN′算出玻璃的折射率．三、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．四、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．五、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sinθ1sinθ2，并取平均值．2．作sinθ1－sinθ2图象：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sinθ1－sinθ2图象，由n＝sinθ1sinθ2可知图象应为直线，如图实－13－3所示，其斜率为折射率．图实－13－33．“单位圆法”确定sinθ1、sinθ2，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′.如图实－13－4所示，sinθ12＝EHOE，sinθ2＝E′H′OE′，OE＝OE′＝R，则n＝sinθ1sinθ2＝EHE′H′.只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n.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．八、实验改进本实验可用半圆形玻璃砖代替长方形玻璃砖，做法如下：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，在玻璃砖另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3，作光路图如图所示．则折射率n＝sinθ1sinθ2＝ABOBCDOC＝ABCD.【考点突破】问题1.如图所示是上下两个面彼此平行的玻璃砖，两个面之间的距离为h。一束光线以入射角i从上表面的O点入射，从下表面的Oˊ点射出。（1）证明入射玻璃砖的光线和出射的光线平行（2）证明侧移量随入射角的增大而增大。（3）由图示可知能够确定入射角和折射角，因此可以测定玻璃的折射率，怎样确定入射光线？怎样确定折射光线？（插针法）（4）实验过程中，角度的测量会带来误差，实验时入射角度大一些好还是小一些好？（5）实验的过程中入射角和折射角不一定是特殊角，计算角度的正弦值有很大的难度。你怎样解决这个问题？（6）只使用一次测量数据会给实验结果带来很大的误差，某位同学多次测量入射角α和折射角β，做出了如图所示的图像。图像中斜率表示什么意思？(7)某同学用插针法测定玻璃砖的折射率，他的实验方法和操作步骤正确无误。但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面aa’与bb’不平行，如图所示：则（）A．P1P2与P3P4两条直线平行B．P1P2与P3P4两条直线不平行C．他测出的折射率偏大D．他测出的折射率不受影响(8)在利用插针法测定玻璃砖折射率的实验中：P1P2P3P4aa′b′birAOBENN´3①甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa’和bb’后，不自觉地碰了玻璃砖使它向aa’方向平移了少许，如图所示:则他测出的折射率值将_____(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)；②乙同学在画界面时，不自觉地将两界面aa’、bb’间距画得比玻璃砖宽度些，如图所示，则他测得折射率(填“偏大”、“偏小”“不变”).变式1.同学用圆柱形玻璃砖做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好圆柱形玻璃砖，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在圆柱形玻璃砖另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，使P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和圆柱形玻璃砖的边界如图所示．（1）在图上画出所需的光路．（2）了测量出玻璃砖折射率，需要测量的物理量有（要求在图上标出）．（3）写出计算折射率的公式n=.变式2.一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）.现要测定此玻璃的折射率，给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（1P、2P、3P、4P）、带有刻度的直角三角板、量角器.实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直.在纸上画出直线aa和bb，aa表示镀银的玻璃表面，bb表示另一表面，如图所示.然后，在白纸上竖直插上两枚大头针1P、2P（位置如图）.用1P、2P的连线表示入射光线.（1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针3P、4P？试在题图中标出3P、4P的位置.（2）然后，移去玻璃砖与大头针.试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角1与折射角2.简要写出作图步骤.（3）写出用1、1表示的折射率公式n.变式3.徐老师用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率。开始玻璃砖的位置如图中实线所示，使大头针P1、P2与圆心O在同一θP1P2Oθ4直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察P1、P2的像，且P2的像挡住P1的像。如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失。此时只需测量出，即可计算出玻璃砖的折射率。请用你的测量量表示出折射率。变式4.学校开展研究性学习，某研究性学习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．在一个圆形木盘上过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF，在半径OA上垂直圆盘面插下两枚大头针P1、P2并保持P1、P2的位置不变，每次测量时，让圆盘的BFC部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF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．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P所插的位置，就可直接读出液体折射率的值．则（1）若30AOF，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、P4两位置哪一处所对应的折射率值大？__________．（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_________．变式5.如图所示，置于空气中的一不透明容器内盛满某种透明液体．容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6.0cm长的线光源．靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源．开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分．将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好可以看到线光源底端．再将线光源沿同一方向移动8.0cm，刚好可以看到其顶端．求此液体的折射率n.实验2.用双缝干涉测光的波长【知识要点】一、实验目的1．了解光波产生稳定干涉现象的条件．2．观察双缝干涉图样．3．测定单色光的波长．二、实验原理1．光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光经过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，我们通过光屏可以观察到明暗相间的干涉条纹．若用白光照射，通过两狭缝可以在光屏上观察到彩色条纹．2.根据λ＝dlΔx可以计算出单色光的波长．公式中d为双缝间距离，Δx为相邻两条亮纹间的距离，l为双缝到屏之间的距离，实验中d一般5是已知的，所以测出l、Δx即可求出光的波长．Δx的测量可用测量头完成，如图所示，测量头由分划板、目镜、手轮等构成．通过测量头可清晰看到干涉条纹，分划板上中心有刻线，以此作标准，并根据手轮的读数可求得Δx.由于Δx较小，可测出n条亮(或暗)条纹的间距a，则相邻亮条纹间的距离Δx＝an－1.三、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．(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．五、数据处理1．条纹间距Δx＝|a2－a1n－1|.2．波长λ＝dlΔx.3．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，注意调节光源、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)分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心．(4)测量多条亮条纹间的距离时读数不准确，此间距中的条纹数未数清．八、实验改进实验室里的双缝干涉仪比较精密，并且安装不方便，调节、测量时十分麻烦．现用一种简单方法替换如下：用一支小孩激光笔，水平放置在桌面上，前面放置一双缝，则在正对的墙上就出现十分明显的双缝干涉条纹，测出相关的物理量，利用公式Δx＝ldλ即可求出λ.优点：简单易操作．缺点：精度偏低．【考点突破】问题2．如图所示是用双缝干涉测光的波长的实验设备示意图．(1)图中①是光源，⑤是光屏，它们之间的②③④依次是6____________、____________和____________．(2)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间的距离()A．增大③和④之间的距离B．增大④和⑤之间的距离C．将红色滤光片改为绿色滤光片D．增大双缝之间的距离(3)在某次实验中，已知双缝到光屏之间的距离是600mm，双缝之间的距离是0.20mm，单缝到双缝之间的距离是100mm.某同学在用测量头测量时，先将测量头目镜中看到的分划板中心刻线对准某条亮纹(记作第1条)的中心，这时手轮上的示数如图甲所示．然后他转动测量头，使分划板中心刻线对准第7条亮纹的中心，这时手轮上的示数如图乙所示，这两次示数依次为______mm和________mm，由此可以计算出这次实验中所测得的单色光的波长为________nm.变式1.利用图中装置研究双缝干涉现象时，有下面几种说法,其中正确的是：A.将屏移近双缝，干涉条纹间距变窄B.将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变宽C.将单缝向双缝移动一小段距离,干涉条纹间距变宽D.换一个两缝间距离较大的双缝,干涉条纹间距变窄E.去掉滤光片后,干涉现象消失变式2.在用双缝干涉测光的波长的实验中，准备了下列仪器：A．白炽灯B．双窄缝片C．单窄缝片D．滤光片E．毛玻璃光屏（1