2019-2020学年高中物理 第十三章 实验 测定玻璃的折射率课件 新人教版选修3-4

第十三章光实验测定玻璃的折射率一、实验目的：掌握测定玻璃折射率的方法．二、实验原理：用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测出入射角θ1和折射角θ2，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝sinθ1sinθ2.三、实验器材：玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔．四、实验步骤1．如图所示，将白纸用图钉钉在平木板上．2．在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线)，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，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′.4．在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像．再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置．5．移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向．6．连接OO′，入射角θ1＝∠AON，折射角θ2＝∠O′ON′，用量角器量出入射角和折射角．7．用上述方法测出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角．五、数据处理1．计算法：通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，得出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝sinθ1sinθ2中求多次不同入射角时n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率．2．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，如图所示，其斜率为折射率．3．单位圆法：在不使用量角器的情况下，可以用画单位圆法．(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′，如图所示．(2)由图中关系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.六、注意事项1．实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些．2．入射角θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大．3．在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线．4．在实验过程中，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、实验误差1．入射光线和出射光线画得不够精确．因此，要求插大头针时两大头针间距应稍大．2．入射角、折射角测量不精确．为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱．实验原理和数据处理用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，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和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示．(1)在图中画出所需的光路．(2)为了测出玻璃棱镜的折射率，需要测量的量是________、________，在图中标出它们．(3)计算折射率的公式是n＝________．[解析](1)如图所示，过P1、P2作直线交AB于O，过P3、P4作直线交AC于O′，连接OO′就是光在棱镜中的光路．(2)需要测量入射角i、折射角r.(3)由折射定律有n＝sinisinr.[答案](1)见解析图(2)入射角i折射角r见解析图(3)sinisinr实验操作和误差分析在“测定玻璃的折射率”实验中：(1)为了取得较好的实验效果，A．必须选用上下表面平行的玻璃砖B．选择的入射角应尽量小些C．大头针应垂直地插在纸面上D．大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些其中正确的是________．(2)A同学在画界面时，不小心将两界面aa′和bb′间距画得比玻璃砖宽度大些，如图甲所示，则他测得的折射率________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．(3)B同学在量入射角和折射角时，由于没有量角器，在完成了光路图以后，以O点为圆心，OA为半径画圆，并延长OO′交圆于C点，过A点和C点作垂直于法线的直线分别交于B点和D点，如图乙所示，则他只需要测量________________，就可求出玻璃的折射率n＝________．[解析](1)插针法测定折射率时，玻璃砖上下表面不一定要平行，故A错误；为了减小测量的相对误差，选择的入射角应尽量大些，效果会更好，故B错误；为了准确确定入射光线和折射光线，大头针应垂直地插在纸面上，故C正确；大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些时，相同的距离误差，引起的角度误差会减小，效果会好些，故D正确．(2)如图，实线是真实的光路图，虚线是玻璃砖宽度画大后的光路图，由图看出，在这种情况测得的入射角不受影响，但测得的折射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小．[答案](1)CD(2)偏小(3)AB、CD的距离ABCD(3)根据折射定律得，n＝sin∠AOBsin∠DOC＝ABRCDR＝ABCD，可知需要测量AB、CD的距离，折射率n＝ABCD.实验的改进与创新由于实验室中矩形玻璃砖的数量不够，部分同学需改用直角三棱镜做“测定玻璃的折射率”实验，实验步骤如下：a．如图所示，先在一张白纸上作相互垂直的直线ab、a′b′作为三棱镜的两个界面，并在直线上标出点O；b．标出P3、P4的位置；c．将三棱镜放在白纸上，使短边跟ab对齐，长边跟a′b′对齐；d．在长边a′b′的外侧透过三棱镜观察大头针P1、P2的像，调整视线方向，直到P1的像完全被P2的像挡住；e．在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像；f．过O点作一垂直ab的线段OA，在OA上垂直纸面插两枚大头针P1、P2；g．移去三棱镜和大头针，连接P3P4交a′b′于O′点，过O′点作与a′b′垂直的直线MN；h．作光路图，计算折射率n.(1)正确的实验步骤顺序为________________．(2)请在图中画出准确完整的光路图；(3)请根据图中所给数据，求出该玻璃的折射率n.[解析]利用插针法确定光路，注意有时挡住的是物体本身，有时挡住的是物体的像，目的是确定某一入射光线和对应的出射光线，以利用折射定律求解折射率．[答案](1)a、f、c、d、e、b、g、h(2)光路如图所示(3)n＝sin45°sin30°＝2