2025新高考方案一輪物理第十三章 光第3講　實驗：測量玻璃的折射率

2025新高考方案一輪物理第十三章光第3講實驗：測量玻璃的折射率(基礎(chǔ)實驗)一、實驗知能/系統(tǒng)歸納一、理清原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)(1)鋪白紙、畫線①將白紙用圖釘固定在木板上②畫出兩邊界線aa′和bb′、法線NN′、入射光線AO(2)插針與測量①在AO上插上兩枚大頭針P1、P2，在玻璃磚另一側(cè)通過觀察插上大頭針P3、P4②移去玻璃磚和大頭針，連接P3、P4交bb′于O′，連接OO′③測出入射角θ1、折射角θ2二、掌握數(shù)據(jù)處理方法1．計算法：用量角器測量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1和sinθ2。算出不同入射角時的eq\f(sinθ1,sinθ2)，并取平均值。2．圖像法：改變不同的入射角θ1，測出不同的折射角θ2，作出sinθ1-sinθ2的圖像，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知圖像應是過原點的直線，如圖所示，其斜率為折射率。3．“單位圓法”：以入射點O為圓心、以一定的長度R為半徑畫圓，交入射光線AO于E點，交折射光線OO′于E′點，過E作NN′的垂線EH，過E′作NN′的垂線E′H′，如圖所示，sinθ1＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，則n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′)。只要用刻度尺量出EH、E′H′的長度就可以求出n。三、注意實驗細節(jié)1．玻璃磚要用厚度較大的。2．入射角不宜過大或過小，一般控制在30°到60°之間。3．大頭針要豎直插在白紙上，且距離應適當大一些。4．玻璃磚的折射面要畫準，不能用玻璃磚界面代替直尺畫界線。5．操作時手不能觸摸玻璃磚的光潔光學面。6．實驗過程中，玻璃磚與白紙的相對位置不能改變。四、做好誤差分析1．入射光線、出射光線確定的準確性造成誤差，故入射側(cè)、出射側(cè)所插兩枚大頭針間距應大一些。2．入射角和折射角的測量造成誤差，故入射角應適當大些，以減小測量的相對誤差。3．作圖時，玻璃磚的寬度繪制有誤差，或因所畫的兩邊界線不平行等原因出現(xiàn)誤差。二、應用發(fā)展/練中融通1．(2024年1月·江西高考適應性演練)用圖(a)裝置測量玻璃的折射率時，俯視圖如圖(b)所示。在水平木板上插大頭針P、Q，透過玻璃磚觀察，使Q把P擋住，再插大頭針M和N，使N擋住M同時擋住玻璃磚中的P和Q，這樣就可以確定玻璃磚的入射光線及其出射光線，從而可以測量玻璃的折射率。下列關(guān)于該實驗時眼睛所看到大頭針的情形，可能正確的是()2．(2023·海南高考)如圖所示，在用激光測玻璃磚折射率的實驗中，玻璃磚與光屏P平行放置，從另一側(cè)用激光筆以一定角度照射，此時在光屏上的S1處有激光點，移走玻璃磚，光點移到S2處，回答下列問題：(1)請畫出激光束經(jīng)玻璃磚折射后完整的光路圖；(2)已經(jīng)測出AB＝l1，OA＝l2，S1S2＝l3，則折射率n＝________________(用l1、l2、l3表示)；(3)若改用寬度比ab更小的玻璃磚做實驗，則S1S2間的距離會__________(填“變大”“變小”或“不變”)。3．(2023·廣東高考)某同學用激光筆和透明長方體玻璃磚測量玻璃的折射率，實驗過程如下：(1)將玻璃磚平放在水平桌面上的白紙上，用大頭針在白紙上標記玻璃磚的邊界。(2)①激光筆發(fā)出的激光從玻璃磚上的M點水平入射，到達ef面上的O點后反射到N點射出。用大頭針在白紙上標記O點、M點和激光筆出光孔Q的位置。②移走玻璃磚，在白紙上描繪玻璃磚的邊界和激光的光路，作QM連線的延長線與ef面的邊界交于P點，如圖(a)所示。③用刻度尺測量PM和OM的長度d1和d2。PM的示數(shù)如圖(b)所示，d1為__________cm。測得d2為3.40cm。(3)利用所測量的物理量，寫出玻璃磚折射率的表達式n＝________；由測得的數(shù)據(jù)可得折射率n為________(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。(4)相對誤差的計算式為δ＝eq\f(測量值－真實值,真實值)×100%。為了減小d1、d2測量的相對誤差，實驗中激光在M點入射時應盡量使入射角__________。4．(2024·?？谀M)某小組的甲、乙同學利用“插針法”測定玻璃的折射率，如圖1所示。(1)為了減小實驗誤差，下列操作正確的是________________________________。A．必須選擇邊界平行的玻璃磚B．選擇的入射角應盡量小些C．沒有刻度尺時，可以將玻璃磚界面當尺子畫界線D．大頭針P1、P2和P3、P4之間的距離應適當大些(2)甲同學正確操作后，在實驗中多次改變?nèi)肷浣?，測出多組相關(guān)角度θ1、θ2，作出cosθ2-cosθ1的圖像，如圖2所示，則此玻璃磚的折射率n＝________。(3)乙同學手頭有圓規(guī)和刻度尺但沒有量角器，正確操作后在白紙上畫出了入射光線和折射光線，采用以下方法處理數(shù)據(jù)：以入射點O為圓心在白紙上作圓，該圓與入射光線、折射光線分別交于A、B點，再過A、B點作法線MN的垂線，垂足分別為C、D點，如圖3所示，然后改變?nèi)肷浣?，重新進行實驗，并仍按上述方法進行數(shù)據(jù)處理；設(shè)AC、BD的長度分別為x、y，小明一共獲得了8組x、y值，并在y-x坐標系中描出對應的點，如圖4所示，根據(jù)圖可求得該玻璃磚的折射率為________。(保留三位有效數(shù)字)5．某研究小組設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器。如圖所示，在一個圓盤上，過其圓心O做兩條互相垂直的直徑BC、EF。在半徑OA上，垂直盤面插上兩枚大頭針P1、P2并保持P1、P2位置不變，每次測量時讓圓盤的下半部分豎直進入液體中，而且總使水平液面與直徑BC相平，EF作為界面的法線，而后在圖中右上方區(qū)域觀察P1、P2的像，并在圓周上插上大頭針P3，使P3正好擋住P1、P2的像。通過計算，預先在圓周EC部分刻好了折射率的值，這樣只要根據(jù)P3所插的位置，就可直接讀出液體折射率的值。(1)圖中M、N兩位置對應的折射率大小關(guān)系為nM_________nN(填“大于”“等于”或“小于”)。(2)若∠AOF＝30°，則該儀器能夠測量液體折射率n的大小范圍是_________。(3)沿KMNC，折射率刻度的特點是相同變化示數(shù)刻度線_____________(填“均勻分布”“越來越密”或“越來越疏”)。6．如圖所示的陰影部分ABC為一透明光學元件的橫截面，AC為圓心在O的eq\f(1,4)圓弧面，ABCO構(gòu)成正方形。現(xiàn)要測定該元件的折射率，可供選用的器材還有：大頭針、筆、刻度尺、圓規(guī)、平整的木板、圖釘、白紙。Ⅰ.某小組進行了如下的實驗操作，請將步驟補充完整。(1)將白紙用圖釘固定在平整木板上，在白紙上畫出光學元件的橫截面圖，標好對應關(guān)系，把光學元件放在白紙上，使它的橫截面與圖中畫線對齊；(2)在O點豎直插大頭針P；(3)在D點豎直插大頭針P1，發(fā)現(xiàn)在AB外側(cè)無論怎樣調(diào)整視線都不能觀察到大頭針P和P1的像在一條直線上，則應使OD連線與OA的角度______(填“變大”或“變小”)，才能在AB外側(cè)觀察到大頭針P和P1的像在一條直線上；(4)選擇合適的點豎直插大頭針P2，在BC外側(cè)調(diào)整視線觀察到大頭針P和P2的像在一條直線上，再豎直插上兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住____________，P4擋住______________；(5)移去大頭針和光學元件，記錄好P2、P3和P4的孔洞位置，在固定好的白紙上作出直角坐標系xOy，Ox軸與OC重合，Oy軸與OA重合，用刻度尺測出P2、P3和P4在直角坐標系xOy中的坐標P2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x2，y2))，P3eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x3，y3))，P4eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x4，y4))。則此光學元件折射率測量值的表達式為n＝__________________________。(用測量的坐標值表示)Ⅱ.根據(jù)小組的實驗過程，下列哪些措施能夠提高實驗準確程度________。A．應選用較粗的大頭針完成實驗B．應選用較細的大頭針完成實驗C．插在光學元件同側(cè)的兩枚大頭針間的距離應適當小些D．插在光學元件同側(cè)的兩枚大頭針間的距離應適當大些Ⅲ.小組測得該元件折射率為2，光學元件圓弧面的半徑為R。若只考慮首次從圓弧AC直接射向AB和BC的光線，從插在O點的大頭針P射入圓弧AC的光中，有一部分不能從AB、BC面直接射出，則這部分光照射圓弧AC的弧長為________。第4講實驗：用雙縫干涉測量光的波長(基礎(chǔ)實驗)一、實驗知能/系統(tǒng)歸納一、理清原理與操作原理裝置圖測出乙圖中的d和l，用圖丙的測量頭測出兩條相鄰亮條紋間距Δx，由Δx＝eq\f(l,d)λ即可計算出波長操作要領(lǐng)1.器材的安裝與調(diào)整(1)將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上；(2)安裝單縫和雙縫，盡量使縫的中點位于遮光筒的軸線上，使單縫與雙縫平行，二者間距約為5～10cm；(3)在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干涉條紋。2.測定單色光的波長(1)安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋；(2)使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中央；(3)用刻度尺測量雙縫到光屏間距離l。二、掌握數(shù)據(jù)處理方法1．相鄰亮條紋間距的計算：Δx＝eq\f(x2－x1,n－1)，可多測幾組不同的n對應的Δx，求平均值。2．用刻度尺測量出雙縫到光屏間的距離l，由公式Δx＝eq\f(l,d)λ得λ＝eq\f(d,l)Δx計算波長。三、注意實驗細節(jié)1．調(diào)節(jié)雙縫干涉裝置時，要注意調(diào)整光源的高度，使它發(fā)出的光束能夠沿著遮光筒的軸線把屏照亮。2．放置單縫和雙縫時，縫要相互平行，中心大致位于遮光筒的軸線上。3．調(diào)節(jié)測量頭時，應使分劃板中心刻線和亮條紋的中心對齊，記下此時手輪上的讀數(shù)，轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板中心刻線和另一亮條紋的中心對齊，記下此時手輪上的讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差就表示這兩條亮條紋間的距離。4．不要直接測Δx，要測多條亮條紋的間距再計算得到Δx，這樣可以減小誤差。5．白光的干涉觀察到的是彩色條紋，其中白色在中央，紅色在最外側(cè)。四、做好誤差分析1．雙縫到光屏的距離l的測量存在誤差。2．測條紋間距Δx帶來的誤差(1)干涉條紋沒有調(diào)整到最清晰的程度。(2)誤認為Δx為亮條紋的寬度。(3)分劃板中心刻線與干涉條紋不平行，中心刻線沒有恰好位于亮條紋中心。(4)測量多條亮條紋間的距離時讀數(shù)不準確，此間距中的條紋數(shù)未數(shù)清。二、應用發(fā)展/練中融通1．某同學用如圖甲所示裝置做“用雙縫干涉測光的波長”實驗。(1)實驗中該同學發(fā)現(xiàn)目鏡中干涉條紋與分劃板的刻度線始終有一定的角度，如圖乙所示，下列哪個操作可以使得分劃板刻度線與干涉條紋平行________。A．僅撥動撥桿B．僅旋轉(zhuǎn)單縫C．僅前后移動凸透鏡D．僅旋轉(zhuǎn)毛玻璃處的測量頭(2)若單縫寬度為h，雙縫間距為d，雙縫與屏距離為l，當采取下列四組數(shù)據(jù)中的哪一組時，可能在光屏上觀察到清晰可辨的干涉條紋_________。(填正確答案標號)A．h＝10mm，d＝0.2mm，l＝10cmB．h＝10mm，d＝10mm，l＝80cmC．h＝1mm，d＝0.2mm，l＝80cmD．h＝1mm，d＝10mm，l＝10cm(3)該同學用藍色濾光片成功地觀察到了如圖丙所示的干涉條紋，若僅將濾光片換成紅色，其他元件及位置都不動，他將看到的條紋是下圖中的_________。2．(2024·吉林模擬)某實驗小組使用圖甲的裝置測量某紅色激光的波長。用光具座固定激光筆和刻有雙縫的黑色紙板，雙縫間的寬度d＝0.2mm。激光經(jīng)過雙縫后投射到光屏中的條紋如圖乙所示，由刻度尺讀出A、B兩亮紋間的距離x＝________mm。通過激光測距儀測量出雙縫到投影屏間的距離L＝2.0m，則該激光的波長λ＝__________m。如果用紫色激光重新實驗，相鄰亮紋間距會______(選填“變大”“變小”或“不變”)。3．(2024·常德模擬)某同學利用如圖1所示裝置測量某種單色光波長。實驗時，接通電源使光源正常發(fā)光，調(diào)整光路，使得從目鏡中可以觀察到干涉條紋。回答下列問題：(1)關(guān)于本實驗下列說法正確的是________；A．若照在毛玻璃屏上的光很弱或不亮，可能是因為光源、單縫、雙縫與遮光筒不共軸所致B．A處為單縫，B處為雙縫，濾光片在A和B之間C．A處為單縫，B處為雙縫，濾光片在凸透鏡和A之間D．若想增加從目鏡中觀察到的條紋個數(shù)，可以換用間距更小的雙縫(2)某次測量時，選用的雙縫的間距為0.4mm，測得屏與雙縫間的距離為0.5m，用某種單色光實驗得到的干涉條紋如圖2所示，分劃板在圖中A、B位置時游標卡尺的讀數(shù)也如圖2中所示，則A位置對應的讀數(shù)為_____________mm，B位置對應的讀數(shù)為15.6mm，則所測單色光的波長約為________nm(結(jié)果保留整數(shù)部分)；(3)若某次實驗觀察到的干涉條紋與分劃板的中心刻線不平行，如圖3所示，在這種情況測量相鄰條紋間距Δx，則波長λ的測量值_________(填“大于”“小于”或“等于”)實際值。4．(2024·黃岡模擬)做“用雙縫干涉測光的波長”實驗中。使用的雙縫間距d＝0.20mm。雙縫到光屏的距離L＝600mm，觀察到的干涉條紋如圖甲所示。(1)在測量頭上的是一個螺旋測微器(又叫“千分尺”)，分劃板上的刻度線處于x1、x2位置時，對應的示數(shù)如圖乙所示，則相鄰亮條紋的間距Δx＝__________mm(結(jié)果保留3位小數(shù))。(2)計算單色光的波長的公式λ＝____________(用L、d、x1、x2表示)。