2020版高中物理 第十三章 实验 测定玻璃的折射率课件 新人教版选修3-4

实验测定玻璃的折射率实验解读掌握基础一、实验目的测定玻璃的折射率.二、实验原理用“插针法”确定光路,找出与入射光线相对应的在玻璃中的折射光线.如图所示,入射角为θ1,折射角为θ2,根据折射率的定义式n=12sinsin,求出玻璃的折射率.三、实验器材白纸、图钉、大头针(四枚)、直尺、铅笔、量角器、平木板、玻璃砖.科学探究突破创新一、实验操作1.固定白纸.用图钉将白纸平整地固定在平木板上.2.画界面,作法线.(1)在白纸上画一条直线aa′作为界面,过aa′上一点O画出界面的法线NN′,并画一条线段AO作为入射光线,如图所示.(2)把长方形玻璃砖放在白纸上,使它的长边跟aa′对齐,画出玻璃砖的另一边bb′.3.用“插针法”确定折射光线.(1)在入射光线AO上竖直地插上两枚大头针P1,P2,透过玻璃砖观察大头针P1,P2的像,调整视线方向直到P1的像被P2的像挡住,再在观察的这一侧插上两枚大头针P3,P4,使P3挡住P1,P2的像,P4挡住P3和P1,P2的像,记下P3,P4的位置.(2)移去大头针和玻璃砖,过P3,P4作直线O′B,与bb′交于O′,连接OO′,OO′就是光射入玻璃砖时的折射光线.相应地,入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O′ON′.(3)用上述方法分别找出入射光线AO在不同入射角(15°,30°,45°,60°,75°)下的折射光线.二、数据处理1.计算法(1)用量角器量出入射角和折射角的度数,查出它们的正弦值,并把这些数据填入记录表格里.(2)算出不同入射角时12sinsin的值,比较一下,看它们是否接近一个常数,求出几次实验中12sinsin的平均值,则可得这块玻璃砖的折射率.2.图象法根据折射率的定义可得n=12sinsin,因此有sinθ2=1nsinθ1.多次改变入射角,测量相对应的入射角和折射角,以sinθ1值为横坐标、以sinθ2值为纵坐标,建立直角坐标系如图所示.描数据点,过数据点连线得一条过原点的直线.求解图线斜率,设斜率为k,则k=1n,故玻璃砖折射率n=1k.三、误差分析产生原因减小方法偶然误差入射角、折射角的测量不准确入射角适当大些系统误差入射光线、折射光线的确定不准确插针时大头针竖直,相邻两枚大头针间距大些四、注意事项1.实验中,玻璃砖在纸上的位置不可移动.2.不能触摸光学面,严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb′.3.大头针应竖直地插在白纸上,且玻璃砖每一侧的两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一些,以减小在确定光路方向时造成的误差.4.实验时,入射角不宜过小,否则会增大测量角度的误差;也不宜过大,因入射角太大时,折射光线太弱.5.玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5cm以上,若宽度太小,测量误差较大.典例研析拓展提升类型一对实验原理的理解[例1](1)在“测定玻璃的折射率”的实验中,小朱同学在实验桌上看到方木板上有一张白纸,白纸上有如图(甲)所示的实验器材,他认为缺少一种器材,请你写出所缺器材的名称:.老师将器材配齐后,他进行实验,图(乙)是他在操作过程中的一个状态,请你指出第四枚大头针应在图(乙)中的位置(选填“A”“B”或“C”).解析:(1)在实验桌上看到方木板上有一张白纸,白纸上有如图(甲)所示的实验器材,还缺少刻度尺;依据光的折射定律及玻璃砖上下表面平行,那么出射光线与入射光线相互平行,因此第四枚大头针应在图(乙)中的位置B处,如图(a)所示.答案:(1)刻度尺B(2)小红利用方格坐标纸测定玻璃的折射率,如图(丙)所示,AO是画在纸上的直线,她在直线AO适当位置竖直插上P1,P2两枚大头针,放上半圆形玻璃砖,然后插上P3,P4两枚大头针,以确定折射光线.其中她确定P3大头针位置的方法应当是.操作完成后,她用圆规作了一个以O为圆心、半径与玻璃砖半径相同的半圆[如图(丙)中虚线所示],则她测出玻璃的折射率n=.答案:(2)透过玻璃砖看,P3大头针挡住P1,P2两枚大头针的像1.5解析:(2)透过玻璃砖看,P3大头针挡住P1,P2两枚大头针的像.如图(b),作出法线,过圆与入射光线和折射光线的交点作CE和DB垂直于法线,由数学知识得:入射角和折射角的正弦值分别为:sini=CECO,sinr=BDDO,其中,CO=DO,则折射率n=sinsinri=BDCE=64=1.5.测定玻璃折射率的基本思路(3)由折射率的定义n=12sinsin计算出玻璃的折射率.规律方法(1)确定一条从空气斜射入玻璃(或者从玻璃斜射入空气)的光路.(2)通过作图确定入射角和折射角.[针对训练1]某同学在测一厚度均匀的圆形玻璃的折射率时,先在白纸上画一与圆形玻璃同半径的圆,圆心为O,将圆形玻璃平放在白纸上,使其边界与所画的圆重合.在玻璃一侧竖直插两枚大头针P1和P2,在另一侧按正确方法再插两枚大头针P3和P4,移去大头针和圆形玻璃后,得图如图所示:(1)从P3和P4一侧观察时,P1,P2,P3,P4应满足的关系为;解析:(1)从P3和P4一侧观察时,P1,P2,P3,P4应满足的关系为:大头针P3,P4和P1,P2的像恰在一直线上;答案:(1)大头针P3,P4和P1,P2的像恰在一直线上解析:(2)用α和β表示光线从玻璃射入空气时的入射角和折射角,则折射率n=sinsin.(2)用α和β表示光线从玻璃射入空气时的入射角和折射角,用它们表示出玻璃的折射率为.答案:(2)n=sinsin类型二误差分析问题[例2](2019·福建福州期末)在做测定玻璃折射率n的实验时:(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面ab和cd时不慎碰了玻璃砖使它向ab方向平移了一些,如图(甲)所示,其后的操作都正确.但画光路图时,将折射点确定在ab和cd上,则测出的n值将(选填“偏大”“偏小”或“不变”).(2)乙同学为了避免笔尖接触玻璃面,画出的a′b′和c′d′都比实际界面向外侧平移了一些,如图(乙)所示,以后的操作均正确,画光路图时将入射点和折射点都确定在a′b′和c′d′上,则所测出的n值将(选填“偏大”“偏小”或“不变”).(3)丙同学在操作和作图时均无失误,但所用玻璃砖的两个界面明显不平行,这时测出的n值将(选填“偏大”“偏小”或“不变”).解析:用插针法“测定玻璃砖折射率”的实验原理是利用折射率的定义式n=12sinsin.(1)如图(a)所示,实线表示玻璃砖向上平移后实际的光路图,虚线表示画图时光路图,由图看出,画图时的入射角、折射角与实际的入射角、折射角相等,可知测出的折射率没有变化,即测出的n值将不变.思路探究:(1)分析甲同学和乙同学的误差,一般思路如何?答案:先画出玻璃砖的实际光路图,再针对界面ab和cd画出求解折射率的光路图.根据入射角和折射角的变化来分析折射率的变化情况.(2)关于丙同学所用的玻璃砖,实验所测得的入射角、折射角与玻璃砖的形状有关吗?答案:无关.(2)乙同学画出的ab和cd都比实际侧面向外侧平移了一些,但在画光路图时,将入射点、出射点分别确定在ab,cd上,如图(b),实线表示实际的光路图,虚线表示乙同学画图时光路图,入射角测量没有误差,而折射角偏大,得知测出的折射率n将偏小.(3)丙同学所用玻璃砖的两个界面明显不平行,在操作时和作图时均无失误,入射角与折射角没有误差,故测出的n值将不变.答案:(1)不变(2)偏小(3)不变[针对训练2]如图所示,某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率.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(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3,使P3挡住P1,P2的像,连接OP3.图中MN为分界面,虚线半圆与玻璃砖对称,B,C分别是入射光线、折射光线与圆的交点,AB,CD均垂直于法线并分别交法线于A,D点.(1)设AB的长度为l1,AO的长度为l2,CD的长度为l3,DO的长度为l4,为较方便地表示出玻璃砖的折射率,需用刻度尺测量的有,则玻璃砖的折射率可表示为.解析:(1)根据几何知识得,入射角的正弦sini=ABBO,折射角的正弦sinr=CDOC,又BO=OC,则折射率为n=sinsinir=ABCD=13ll.故需要测量的量有l1和l3;答案:(1)l1和l3n=13ll(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度,由此测得玻璃砖的折射率将(选填“偏大”“偏小”或“不变”).解析:(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度,折射光线将顺时针转动,而作图时仍以MN为边界,AD为法线,则入射角不变,折射角减小,由折射率公式n=sinsinir可知,测得玻璃砖的折射率将偏大.答案:(2)偏大