2019-2020学年高考物理 主题3 光及其应用 实验：测定玻璃的折射率课件（必修1）

实验：测定玻璃的折射率主题3光及其应用学科素养与目标要求物理观念：1.知道测定玻璃的折射率的原理、方法、步骤.2.知道实验误差产生的原因和减小误差的方法.科学思维：1.会画光路图.2.会确定入射光线和折射光线，并会测定入射角和折射角.3.会计算折射率及折射率的平均值.科学探究：掌握测定玻璃折射率的方法，学会规范作图，在测定玻璃的折射率实验中训练并提高作图能力.NEIRONGSUOYIN内容索引技能储备明确原理提炼方法题型演练学以致用实训演练达标检测检测评价达标过关课时对点练注重双基强化落实技能储备一、实验原理用插针法确定光路，找出与入射光线相应的出射光线，就能在玻璃砖中画出对应的折射光线，从而可以测出一组对应的入射角和折射角，根据折射定律，便可求出玻璃的折射率.二、实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉(3～4枚)、量角器、直尺、铅笔.三、操作步骤1.把白纸用图钉钉在木板上.2.用直尺画一条平行于玻璃砖一个面的一条线aa′作为界面，过aa′上一点O作垂直于aa′的直线NN′作为法线，过O点画一条入射光线AO，使入射角θ1适当大些，如图1所示.图13.在AO线上竖直地插两枚大头针P1、P2，在白纸上放上被测玻璃砖，使玻璃砖的一个面与aa′重合.4.沿玻璃砖的另一侧面用直尺画一条直线bb′.5.在玻璃砖的bb′一侧白纸上竖直地立一枚大头针P3，调整视线，同时移动大头针P3的位置，当P3恰好能同时挡住玻璃砖aa′一侧所插的大头针P1、P2的像时，把大头针P3插好.6.在玻璃砖bb′一侧再竖直地插一枚大头针P4，使P4能挡住P3本身，同时也能挡住P1、P2的像.7.记下P3、P4的位置，移去玻璃砖，拔去大头针，过P3、P4连一条直线BO′交bb′于O′点，连接OO′，OO′就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线，折射角为θ2.8.用量角器量出入射角θ1和折射角θ2的大小.9.改变入射角θ1，重复上面的步骤再做三、四次，量出相应的入射角和折射角.四、数据处理1.计算法：通过多次测量入射角和折射角，得出多组入射角和折射角的正弦值，再代入n＝中求出多个n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率.sinθ1sinθ2图22.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′，分别交NN′于点H、H′，如图2所示.(2)由图中关系知sinθ1＝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.3.图象法：求出多组对应的入射角与折射角的正弦值，作出sinθ1－sinθ2图象，由n＝sinθ1sinθ2可知图象应为直线，如图3所示，其斜率为折射率.图3五、注意事项1.实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动.2.不能用手触摸玻璃砖光洁的光学面，更不能把玻璃砖当尺子用.3.大头针应竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应适当大些，以减小确定光路方向时造成的误差.4.实验中入射角不宜过小或过大，否则会使测量误差增大.题型演练一、实验原理与操作例1(2018·大兴区高二检测)“测定玻璃的折射率”的实验中，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，如图4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P3和P4.图4(1)在插P3和P4时，应使________(选填选项前的字母).A.P3只挡住P1的像B.P4只挡住P3C.P3同时挡住P1、P2的像D.P4挡住P3及P1、P2的像CD(2)按(1)中的做法确定大头针P3和P4的位置，请将光路图补充完整，并在图中标出需要测量的量，则玻璃砖的折射率可表示为n＝________.(用图中标出的测量量表示)答案见解析图(需要测量的量是图中i和r)sinisinr[学科素养]本实验关键是找出对应入射光线的出射光线，从而画出光在玻璃中的折射光线.考查了对实验原理的理解、实验操作的把握和数据的处理，体现了“物理观念”“科学思维”和“实验探究”的学科素养.在实验过程中要保持认真严谨的态度，又体现了“科学态度与责任”的学科素养.针对训练(多选)在用两面平行的玻璃砖测定玻璃折射率的实验中，其实验光路图如图5所示，对实验中的一些具体问题，下列说法正确的是图5A.为了减小作图误差，P3和P4的距离应适当大一些B.为减小测量误差，P1、P2连线与玻璃砖界面法线的夹角应适当取大一些C.若P1、P2的距离较大时，通过玻璃砖会看不到P1、P2的像D.实验中为方便操作可用玻璃砖代替尺子画线√√二、实验数据处理及误差分析例2在“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确的操作，插好了4枚大头针P1、P2和P3、P4，如图6所示.图6(1)在图中坐标纸上画出完整的光路图，并标出入射角θ1和折射角θ2；答案如图所示(2)对画出的光路图进行测量，求出该玻璃的折射率n＝___________(结果保留两位有效数字).1.4(1.2～1.6)甲同学测得的折射率与真实值相比______(填“偏大”、“偏小”或“不变”).乙同学测得的折射率与真实值相比______(填“偏大”、“偏小”或“不变”).例3在用插针法测定玻璃折射率的实验中，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图7中①和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：图7偏小不变解析用题图①测定折射率时，玻璃中折射角测量值大于实际值，故折射率偏小；用题图②测定折射率时，只要操作正确，折射率与玻璃砖形状无关.“测定玻璃折射率”实验中，也可以用三棱镜、半圆形玻璃砖等进行测量.实验中只要利用“插针法”定出入射光线和出射光线，其与界面的交点就是入射点和出射点，连接入射点和出射点就能作出折射光线，一样可以测出折射率.光路图如图8所示.三、其他形状玻璃砖求折射率图8例4用三棱镜做测定玻璃的折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插入两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，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、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P1、P2的像和P3，在纸上标出大头针的位置和三棱镜轮廓，如图9所示.图9(1)在图上画出所需的光路图；答案见解析(2)为了测出该三棱镜的折射率，需要测量的物理量是________，在图上标出它们；解析在所画的图上画出虚线部分，并注明入射角θ1和折射角θ2，用量角器量出θ1和θ2(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度).答案见解析(3)计算折射率的公式是n＝________.答案见解析解析n＝sinθ1sinθ2(或因为sinθ1＝EFOE，sinθ2＝GHOG，则n＝EFOEGHOG＝EF·OGOE·GH)达标检测1.(实验原理与操作)(多选)某同学用“插针法”做测定玻璃折射率实验时，他的方法和操作步骤都正确无误，但他处理实验记录时，发现玻璃砖的两个光学面aa′和bb′不平行，如图10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√√124图1032.(实验原理与操作)在测定玻璃的折射率的实验中，对一块两面平行的玻璃砖，用插针法找出与入射光线对应的出射光线，现在甲、乙、丙、丁四位同学分别作出如图11所示的四组插针结果.图11124(1)从图上看，肯定把大头针插错了的同学是________.(2)从图上看，测量结果准确度最高的同学是________.甲、乙丁33.(实验数据处理)(2018·金华一中高二上学期第二次段考)在“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确操作插好了4枚大头针，如图12所示.124图12(1)请在图13中画出完整的光路图.图133(2)对画出的光路图进行测量和计算，求得该玻璃砖的折射率n＝__________________________(保留3位有效数字).1.53(说明：±0.03范围内均可)解析设方格纸上正方形的边长为1，光线的入射角为θ1，折射角为θ2，则sinθ1＝5.35.32＋42≈0.798，sinθ2＝2.22.22＋3.62≈0.521，所以该玻璃砖的折射率n＝sinθ1sinθ2＝0.7980.521≈1.53.1243(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象，某同学做了两次实验，经正确操作插好了8枚大头针，如图14所示.图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和________(填“A”或“B”).图14A解析由题图可知，光线P1P2入射到玻璃砖上时，相当于光线射到了一个三棱镜上，因此出射光线将向底边偏折，所以出射光线过P3和A.12434.(实验数据处理)如图15所示，某同学做“测定玻璃的折射率”实验时，完成光路图后，由于没有量角器，借助圆规以O为圆心画圆，该圆交入射光线于A点，交OO′连线延长线于C点.分别过A点、C点作法线NN′的垂线AB、CD交NN′于B点、D点，请用刻度尺测量并计算此种玻璃的折射率n.(结果保留两位有效数字)图151243答案1.5课时对点练1.在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，实验方法和步骤完全正确，但测后发现玻璃砖的两个光学面不平行，则________.A.入射光线与出射光线一定不平行，测量值偏大B.入射光线与出射光线一定不平行，测量值偏小C.入射光线与出射光线一定不平行，测量值仍然正确D.入射光线与出射光线可能平行，测量值仍然正确√12345678910解析只要实验方法和步骤完全正确，测量值的准确性与玻璃砖的两个光学面是否平行没有关系.2.在做“插针法测量玻璃砖的折射率”的实验中，对于如图所示的梯形玻璃砖(两个光学面不平行)，实验结果可能是下列图中的________.(请选择一个正确答案)√123456789103.在“用插针法测玻璃砖折射率”的实验中，玻璃砖的ab边与a′b′边相互平行，aa′边与bb′边不平行，某同学在白纸上仔细画出了玻璃砖的两条边线aa′与bb′，如图1所示.图1(1)实验时，先在玻璃砖的一侧插两枚大头针P1和P2以确定入射光线AO，接着，眼睛应在玻璃砖的________(填“同一侧”或“另一侧”)观察所插的两枚大头针P1和P2，同时通过插第三、第四枚大头针来确定从玻璃砖射出的光线.另一侧12345678910(2)实验中是否要求四枚大头针的针帽在同一视线上？________(填“是”或“否”).解析实验中要求四枚大头针的针尖在同一视线上，而不是针帽.否12345678910(3)下列操作可以减小实验误差的是________(填字母代号)A.适当增大大头针P1、P2的间距B.选择玻璃砖相互平行的ab、a′b′边来测量C.选用尽可能细的笔画线D.使AO的入射角接近于90°AC解析大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些时，角度的测量误差会小些，故A正确；用插针法测定玻璃砖折射率时，玻璃砖上、下表面不一定要平行，故B错误；为了准确确定入射光线和折射光线，选用尽可能细的笔画线，故C正确；为了减小测量的相对误差，选择的入射角应适当，不宜过小也不宜过大，故D错误.123456789104.如图2所示，把玻璃砖放在木板上，下面垫一张白纸，在白纸上描出玻璃砖的两个边a和a′.然后在玻璃砖的一侧插两个大头针A、B，AB的延长线与直线a的交点为O.眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使B把A挡住.然后在眼睛所在的一侧再插第三个大头针C，使它把A、B的像都挡住，插第四个大头针D，使它把A、B的像和C都挡住，那么后两个大头针就确定了从玻璃砖射出的光线.在白纸上描出光线的径迹，要计算玻璃砖的折射率需要测量的物理量是图中的______；为了减小实验误差，入射角应_____