2024年高中物理新教材同步講義選修第一冊(cè)學(xué)習(xí)筆記第4章 實(shí)驗(yàn)：測量玻璃的折射率

實(shí)驗(yàn)：測量玻璃的折射率[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道測量玻璃折射率的原理、方法和步驟(重點(diǎn))。2.會(huì)確定入射光線、折射光線、入射角及折射角(重點(diǎn))。3.學(xué)會(huì)用不同方法測量和計(jì)算玻璃的折射率(重難點(diǎn))。一、實(shí)驗(yàn)思路1．實(shí)驗(yàn)原理用“插針法”確定光路，找出入射光線及相應(yīng)的出射光線，畫出玻璃磚中對(duì)應(yīng)的折射光線，用量角器分別測出入射角θ1和折射角θ2，根據(jù)折射定律n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)便可求出玻璃的折射率。2．物理量的測量入射角θ1：入射光線與法線的夾角。折射角θ2：折射光線與法線的夾角。二、實(shí)驗(yàn)器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針、圖釘、量角器、直尺、鉛筆。三、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1．把白紙用圖釘釘在木板上。2.用直尺畫一條平行于玻璃磚一個(gè)面的直線aa′作為界面，過aa′上一點(diǎn)O作垂直于aa′的直線NN′作為法線，過O點(diǎn)畫一條入射光線AO，使入射角θ1適當(dāng)________些，如圖所示。3．在AO線上豎直地插兩枚大頭針P1、P2，在白紙上放上被測玻璃磚，使玻璃磚的一個(gè)面與aa′重合。4．沿玻璃磚的另一側(cè)面用直尺畫一條直線bb′。5．在玻璃磚bb′一側(cè)白紙上豎直地立一枚大頭針P3，調(diào)整視線，同時(shí)移動(dòng)大頭針P3的位置，當(dāng)P3恰好能同時(shí)擋住玻璃磚aa′一側(cè)所插的大頭針________的像時(shí)，把大頭針P3插好。6．在玻璃磚bb′一側(cè)再豎直地插一枚大頭針P4，使P4能擋住________本身，同時(shí)也能擋住____________的像。7．記下P3、P4的位置，移去玻璃磚，拔去大頭針，過P3、P4連一條直線BO′交bb′于O′點(diǎn)，連接OO′，OO′就是入射光線AO在玻璃磚內(nèi)的折射光線，折射角為θ2。8．用量角器量出入射角θ1和折射角θ2的大小。9．改變?nèi)肷浣铅?，重復(fù)上面的步驟再做三、四次，量出相應(yīng)的入射角和折射角。四、數(shù)據(jù)分析1．計(jì)算法：通過多次測量入射角和折射角，得出多組入射角和折射角的正弦值，再代入n＝____________中求出多個(gè)n的值，然后取其平均值，即為玻璃磚的折射率。2.圖像法：求出多組對(duì)應(yīng)的入射角與折射角的正弦值，作出sinθ1－sinθ2圖像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知圖像應(yīng)為一條________________________，如圖所示，其斜率為____________。3．單位圓法(1)以入射點(diǎn)O為圓心，以一定長度R為半徑畫圓，交入射光線AO于E點(diǎn)，交折射光線OO′于E′點(diǎn)，過E作NN′的垂線EH，過E′作NN′的垂線E′H′，分別交NN′于點(diǎn)H、H′，如圖所示。(2)由圖中關(guān)系知sinθ1＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，則n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝______，只要用刻度尺測出EH、E′H′的長度就可以求出n。五、誤差分析1．由入射側(cè)、出射側(cè)所插兩枚大頭針的位置所確定的入射光線、出射光線的準(zhǔn)確度會(huì)造成系統(tǒng)誤差。2．入射角和折射角的測量造成偶然誤差。3．折射率的計(jì)算求解會(huì)造成偶然誤差。六、注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)中，玻璃磚在紙上的位置不可移動(dòng)。2．不能用手觸摸玻璃磚光潔的光學(xué)面，更不能把玻璃磚當(dāng)尺子用。3．大頭針應(yīng)豎直插在白紙上，且玻璃磚每一側(cè)兩枚大頭針P1與P2間、P3與P4間的距離應(yīng)適當(dāng)大些。4．實(shí)驗(yàn)中入射角不宜過小或過大。5．玻璃磚應(yīng)選用寬度較大的。例1如圖所示，在“測量玻璃的折射率”實(shí)驗(yàn)中，先在白紙上畫一條直線aa′代表兩種介質(zhì)的分界面；畫出一直線段AO代表入射光線，然后畫出過O點(diǎn)處的法線MN。放好玻璃磚，aa′和bb′分別是玻璃磚與空氣的兩個(gè)界面，在玻璃磚一側(cè)的直線AO上豎直地插上兩枚大頭針P1和P2。(1)接下來要完成的必要步驟有________。A．插上大頭針P3，使P3僅擋住P2的像B．插上大頭針P3，使P3擋住P1的像和P2的像C．插上大頭針P4，使P4僅擋住P3D．插上大頭針P4，使P4擋住P3和P1、P2的像(2)過________畫直線與界面bb′相交于O′點(diǎn)，連接OO′即可得到玻璃磚內(nèi)折射光線的路徑，在圖上完成光路圖；(3)實(shí)驗(yàn)中需要測量的物理量有________(用符號(hào)表示，并在圖上標(biāo)出)；(4)折射率n＝________(利用(3)中測量的物理量的字母表示)。例2(2022·眉山市高二期末)(1)某實(shí)驗(yàn)小組利用“插針法”測量玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)光路如圖甲所示，實(shí)驗(yàn)所用玻璃磚的上表面AD與下表面BC不平行，出射光線O′G與入射光線PO________(選填“平行”或“不平行”)；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可采用以入射點(diǎn)O為圓心，取某一單位長度為半徑作圓，該圓與入射光線PO交于M點(diǎn)，與折射光線OO′的延長線交于E點(diǎn)，過M、E點(diǎn)分別向法線作垂線，其垂足分別為N、F，現(xiàn)測得MN＝1.66cm；EF＝1.12cm，則該玻璃磚的折射率n＝________(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。(2)某同學(xué)在“利用插針法測量玻璃的折射率”的實(shí)驗(yàn)中，如圖乙所示，在紙上畫玻璃磚下界面bb′時(shí)，誤將bb′向下畫至圖中虛線位置，而其他操作均正確，則該同學(xué)測得的玻璃磚折射率將________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。例3用圓弧狀玻璃磚做測量玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在白紙上放好圓弧狀玻璃磚，在玻璃磚的一側(cè)豎直插上兩枚大頭針P1、P2，然后在玻璃磚的另一側(cè)觀察，調(diào)整視線使P1被P2擋住，接著在眼睛所在的一側(cè)插兩枚大頭針P3和P4，使P3擋住P1和P2的像，P4擋住P3以及P1和P2的像，在紙上標(biāo)出大頭針位置和圓弧狀玻璃磚輪廓，如圖甲所示，其中O為兩圓弧圓心，圖中已畫出經(jīng)P1、P2點(diǎn)的入射光線。(1)在圖甲上補(bǔ)畫出光路以及入射角θ1和折射角θ2；(2)用所測物理量計(jì)算折射率的公式n＝________；(3)多次改變?nèi)肷浣?，測得幾組入射角和折射角，根據(jù)測得的入射角和折射角的正弦值，畫出了如圖乙所示的圖像，由圖像可知該玻璃磚的折射率n＝________。例4某同學(xué)測量玻璃磚的折射率，準(zhǔn)備了下列器材：激光筆、直尺、刻度尺、一面鍍有反射膜的平行玻璃磚。如圖所示，直尺與玻璃磚平行放置，激光筆發(fā)出的一束激光從直尺上O點(diǎn)射向玻璃磚表面，在直尺上觀察到A、B兩個(gè)光點(diǎn)，讀出OA間的距離為20.00cm，A