高中物理 第四章 光的折射 2 學(xué)生實驗：測定玻璃的折射率課件 教科版選修34

2學(xué)生實驗：測定玻璃的折射率第四章光的折射學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過實驗了解平行玻璃磚的光學(xué)性質(zhì).2.會用“插針法”測定玻璃磚的折射率.內(nèi)容索引題型演練學(xué)以致用 實訓(xùn)演練達(dá)標(biāo)檢測檢測評價 達(dá)標(biāo)過關(guān)技能儲備明確原理 提煉方法技能儲備技能儲備一、實驗：測定玻璃的折射率一、實驗：測定玻璃的折射率1.實驗原理用插針法確定光路，找出與入射光線相應(yīng)的出射光線，就能在玻璃磚中畫出對應(yīng)的折射光線，從而可以測出一組對應(yīng)的入射角和折射角，根據(jù)折射定律，便可求出玻璃的折射率.2.實驗器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針?biāo)拿?、圖釘(34枚)、量角器、直尺、鉛筆. 3.實驗步驟(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面的直線aa作為分界面，過aa上一點O作垂直于aa的直線NN作為法線，過O點畫一條入射光線AO，使入射角i適當(dāng)大些.如圖1所示.圖1(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，使玻璃磚的一個面與aa重合.(4)用直尺畫平行于玻璃磚另一側(cè)面的一條直線bb.(5)在玻璃磚的bb一側(cè)白紙上豎直地插一枚大頭針P3，調(diào)整視線，同時移動大頭針P3的位置，當(dāng)P3恰好能同時擋住玻璃磚aa一側(cè)所插的大頭針P1、P2的像時，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P3本身，同時也能擋住P1、P2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，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r.(8)用量角器量出入射角i和折射角r的大小.(9)改變?nèi)肷浣莍，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.(10)算出不同入射角時 的值，求出幾次實驗中的平均值就是玻璃的折射率.4.數(shù)據(jù)處理(1)計算法：把上述實驗數(shù)據(jù)分別由n 計算出n1、n2、n3、，求出平均值即為玻璃磚折射率的測量值.(2)圖像法：因sin insin r，所以可把上面的數(shù)據(jù)以sin r值為橫坐標(biāo)、以sin i值為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示.描數(shù)據(jù)點，過數(shù)據(jù)點連線得一條過原點的直線.求解圖線斜率，設(shè)斜率為k，則nk.圖2(3)單位圓法：過入射點畫出玻璃磚界面的法線NN，以入射點B為圓心，適當(dāng)長度為半徑畫圓，入射光線、折射光線與圓周交于A和C，由點A、C向法線作垂線，分別交法線NN于A、C點，如圖3所示.測出垂線的長度AA和CC，則玻璃磚的折射率可表示為圖35.注意事項(1)輕拿輕放玻璃磚，手只能接觸玻璃磚的毛面或棱，不能觸摸光潔的光學(xué)面.嚴(yán)禁把玻璃磚當(dāng)直尺使用.(2)實驗過程中，玻璃磚在紙面上的位置不可移動.(3)大頭針P1與P2、P3與P4的間距要適當(dāng)?shù)卮笮?，以減小確定光線方向時出現(xiàn)的誤差.(4)實驗時入射角不能太小(接近零度)，否則會使測量誤差加大；也不能太大(接近90)，否則會不易觀察到P1、P2的像.二、光的色散現(xiàn)象二、光的色散現(xiàn)象1.色散：白光實際上是由各種單色光組成的復(fù)色光.復(fù)色光在通過透明介質(zhì)以后分解成單色光的現(xiàn)象叫做色散.2.同一種介質(zhì)對不同顏色的光的折射率是不同的.在各種色光中介質(zhì)對紫光折射率最大，表示紫光在介質(zhì)中傳播的速度最小.題型演練題型演練一、實驗：測定玻璃的折射率答案答案見解析例例1在用三棱鏡測定玻璃折射率的實驗中，先在白紙上放好三棱鏡，在棱鏡的一側(cè)垂直白紙插入兩枚大頭針P1和P2，然后在棱鏡的另一側(cè)觀察，調(diào)整視線使P1的像被P2擋住，接著在眼睛所在的一側(cè)垂直白紙插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P3和P1、P2的像，在紙上標(biāo)出的大頭針位置和三棱鏡輪廓如圖4所示.(1)在本題的圖上畫出所需的光路；答案解析圖4解析解析如圖所示，畫出通過P1、P2的入射光線，交AC面于O，畫出通過P3、P4的出射光線交AB面于O.則光線OO就是入射光線P1P2在三棱鏡中的折射光線.解析解析過O點作AC面的法線，在所畫的圖上注明入射角1和折射角2，用量角器量出1和2.(2)為了測出棱鏡玻璃的折射率，需要測量的量是_，_，在圖上標(biāo)出它們；答案解析答案答案見解析(3)計算折射率的公式是_.答案解析答案答案見解析總結(jié)提升總結(jié)提升測定玻璃折射率的基本思路測定玻璃折射率的基本思路1.確定一條從空氣斜射入玻璃(或者從玻璃斜射入空氣)的光路.2.通過作圖確定入射角和折射角.3.由折射率的定義式n 計算出玻璃的折射率.例例2在“測定玻璃的折射率”實驗中：(1)為了取得較好的實驗效果，其中正確的是_.A.必須選用上下表面平行的玻璃磚B.選擇的入射角應(yīng)盡量小些C.大頭針應(yīng)垂直地插在紙面上D.大頭針P1和P2及P3和P4之間的距離適當(dāng)大些答案解析CD解析解析用插針法測定玻璃的折射率時，玻璃磚上、下表面不一定要平行，故A錯誤；為了減小測量的相對誤差，選擇的入射角適當(dāng)大些，效果會更好，故B錯誤；為了準(zhǔn)確確定入射光線和折射光線，大頭針應(yīng)垂直地插在紙面上，故C正確；大頭針P1和P2及P3和P4之間的距離適當(dāng)大些時，引起的角度誤差會減小，效果會好些，故D正確.解析解析如圖，實線是真實的光路圖，虛線是玻璃磚寬度畫大后的光路圖.由圖看出，在這種情況下測得的入射角不受影響，但測得的折射角比真實的折射角偏大，因此測得的折射率偏小.(2)甲同學(xué)在畫界面時，不小心將兩界面aa和bb間距畫得比玻璃磚寬度大些，如圖5所示，則他測得的折射率_(選填“偏大”“偏小”或“不變”)答案解析偏小圖5(3)乙同學(xué)在量入射角和折射角時，由于沒有量角器，在完成了光路圖以后，以O(shè)點為圓心，OA為半徑畫圓，交OO延長線于C點，過A點和C點作垂直法線的直線分別交于B點和D點，如圖6所示，則他只需要測量_，就可求出玻璃的折射率n_.答案解析圖6AB、CD的長度答案答案見解析圖例例3用圓弧狀玻璃磚做測定玻璃折射率的實驗時，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的像被P2的像擋住，接著在眼睛所在的一側(cè)豎直插兩枚大頭針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7甲所示，其中O為兩圓弧圓心，圖中已畫出經(jīng)P1、P2點的入射光線.(1)在圖上補畫出所需的光路.答案解析圖7解析解析連接P3、P4與CD交于一點，此交點即為光線從玻璃磚中射出的位置，由于P1、P2的連線與AB的交點即為光線進(jìn)入玻璃磚的位置，連接兩交點即可作出玻璃磚中的光路，如圖所示答案答案見解析圖(2)為了測出玻璃的折射率，需要測量入射角和折射角，請在圖中的AB分界面上畫出這兩個角.答案解析解析解析連接O點與光線在AB上的入射點即為法線，作出入射角和折射角如圖中i、r所示.(3)用所測物理量計算折射率的公式為n_.答案解析(4)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，由圖像可知該玻璃的折射率n_.答案解析1.5二、折射時的色散如圖8所示，白光通過棱鏡折射后，由上到下的色光順序為：紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，這說明： (1)射出棱鏡的光線與入射光線方向的夾角叫通過棱鏡的偏向角，如圖所示，白光色散時，紅光的偏向角最小，紫光的偏向角最大，說明同種玻璃對不同色光的折射率是不同的.(2)根據(jù)n 可知：在同種介質(zhì)中折射率大的速度小，各種色光在同種介質(zhì)中的速度從小到大排序依次為v紫v靛v橙v紅，即紅光的速度最大，紫光的速度最小.圖8例例4如圖9所示，從點光源S發(fā)出的一細(xì)束白光以一定的角度入射到三棱鏡的表面，經(jīng)過三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏的ab間形成一條彩色光帶.下面的說法中正確的是A.a側(cè)是紅色光，b側(cè)是紫色光B.在真空中a側(cè)光的波長小于b側(cè)光的波長C.三棱鏡對a側(cè)光的折射率小于對b側(cè)光的折射率D.在三棱鏡中a側(cè)光的傳播速度大于b側(cè)光的傳播速度答案解析圖9解析解析紅光的折射率小于紫光的折射率，經(jīng)過三棱鏡，紅光的偏折角小于紫光的偏折角，則a側(cè)是紫色光，b側(cè)是紅色光，A錯；由題圖知a側(cè)光的偏折角大，三棱鏡對a側(cè)光的折射率大，a側(cè)光的波長短，B對，C錯；三棱鏡對a側(cè)光的折射率大，由v 知，在三棱鏡中a側(cè)光的傳播速度小于b側(cè)光的傳播速度，D錯.總結(jié)提升總結(jié)提升1.同一介質(zhì)對不同的色光有不同的折射率，介質(zhì)對頻率大、波長短的光折射率大，按折射率從小到大依次排列為：紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫.2.在同一介質(zhì)中，不同色光的傳播速度不同，紅光的折射率小，傳播速度大；紫光的折射率大，傳播速度小.達(dá)標(biāo)檢測達(dá)標(biāo)檢測1231.(實驗：測定玻璃的折射率實驗：測定玻璃的折射率)(多選)在做“測定玻璃的折射率”的實驗時，下列關(guān)于實驗要求的敘述正確的是A.玻璃磚的寬度宜大些B.大頭針應(yīng)垂直地插在紙面上C.每邊的兩個大頭針的距離近些容易觀察D.在插P4時，只要擋住P3的光線就行，與P1、P2無關(guān)答案解析解析解析玻璃磚寬度大些，入射光、出射光與界面的交點偏移距離大，便于畫圖和測量.大頭針垂直插在紙面上可減小誤差.每邊的兩個大頭針的距離過近，確定入射光線和出射光線的位置時誤差較大，在插P4時要擋住P3和P1、P2的像，與P1、P2有關(guān)，故A、B正確.123解析解析由題圖可知，可見光穿過玻璃磚后，發(fā)生了色散，其中a光的側(cè)移距離大于b光的側(cè)移距離，說明玻璃對a光的折射率大于玻璃對b光的折射率，同種介質(zhì)對紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光的折射率依次增大，由于b光是藍(lán)光，故只有D選項符合題意.2.(折射中的色散折射中的色散)如圖10所示，一束可見光穿過平行玻璃磚后，變?yōu)閍、b兩束單色光.如果光束b是藍(lán)光，則光束a可能是A.紅光 B.黃光C.綠光 D.紫光答案解析123圖103.(實驗：測定玻璃的折射率實驗：測定玻璃的折射率)在用兩面平行的玻璃磚測定玻璃折射率的實驗中，其實驗光路如圖11所示.(1)在實驗中，如果用量角器分別量出入射角1和折射角2，那么，該玻璃磚的折射率的表達(dá)式為n_.答案解析123圖11(2)在實驗數(shù)據(jù)的處理中，有兩位同學(xué)各設(shè)計了一個記錄表格，而且都已完成了計算，根據(jù)他們設(shè)計的表格所反映的信息，判斷他們的論證做得是否正確.甲同學(xué)設(shè)計的表格是123次數(shù)入射角1sin 1折射角2sin 2n1300.50020.90.3571.401.402450.70730.50.5081.393600.86638.00.6161.41解析解析為了減小測量的偶然誤差，必須采用多次測量取平均值的方法.由于每次測量時，入射角不同，折射角不同，入射角和折射角取平均值沒有意義，而介質(zhì)的折射率僅由介質(zhì)的性質(zhì)決定，是不變的，所以應(yīng)根據(jù)每一個入射角及對應(yīng)的折射角，運用折射定律求出折射率，再求出折射率的平均值，可有效減小測量的誤差，故甲同學(xué)做得正確.乙同學(xué)設(shè)計的表格是答案解析123次數(shù)123角平均值正弦值n入射角1304560450.7071.42折射角220.930.538.028.80.497上述兩位同學(xué)做得正確的是_(填“甲”或“乙”)甲A.甲、乙均偏小 B.甲、乙均偏大C.甲偏大、乙偏小 D.甲偏小、乙偏大(3)若甲在做測定玻璃的折射率的實驗時，法線畫得與界面不垂直，出現(xiàn)如圖12(a)所示的傾斜；若乙在放置玻璃磚時，玻璃磚的平面沒有與aa重合，出現(xiàn)如圖(b)所示的偏差，則他們測得的折射率比真實值_.答案解析123A 圖12解析解析題圖(a)測得的入射角和折射角都偏大，而且增大相同的角度，玻璃磚的折射率為： 運用特殊值法分析：若法線與界面垂直時，入射角為i45，折射角為r30，則折射率為 1.41.若法線與界面不垂直時，入射角與折射角都增大15，則折射率為n 1.22，可見，甲的測量值將偏小.出現(xiàn)題圖(b)所示的偏差時測量的入射角i和折射角r都增大，而且增大相同的角度，與(a)情況恰好相同，故測量值將偏小，故A正確，B、C、D錯誤.123