2018 年高中物理创新学案含解析1第 2 讲 学生实验：测定玻璃的折射率目标定位 1.通过实验了解平行玻璃砖的光学性质.2.会用“插针法”测定玻璃的折射率一、实验器材两对面平行的玻璃砖一块、大头针四枚、白纸一张、直尺一把或三角板一个、量角器一个二、实验原理如图 1 所示，当光线 AB 以一定入射角 i 穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线 AB 对应的出射光线 CD，从而画出折射光线 BC，量出折射角 r，再根据 n算出玻璃的折射率sin isin r图 1一、实验步骤1如图 1 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 EE作为两种介质的分界面，过 EE上的一点 B 画出界面的法线 NN，并画一条线段 AB 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 EE对齐，画出玻璃砖的另一边 FF.4在直线 AB 上竖直插上两枚大头针 G1、G2，透过玻璃砖观察大头针 G1、G2的像，调整视线方向直到 G2的像挡住 G1的像再在观察者一侧竖直插上两枚大头针 G3、G4，使 G3挡住 G1、G2的像，G4挡住 G3本身及 G1、G2的像，记下 G3、G4的位置5移去大头针和玻璃砖，过 G3、G4所在处作直线 CD 与 FF交于 C，直线 CD 就代表了沿 AB 方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向2018 年高中物理创新学案含解析26连接 BC，入射角 iABN，折射角 rCBN，用量角器量出 i 和 r，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中7用上述方法测出入射角分别为 15、30、45、60、75时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中8算出不同入射角下的正弦比值，最后求出在几次实验中比值的平均值，即sin isin rsin isin r为玻璃砖的折射率9数据处理(1)作图法：为了减小误差，可以用作图法求出折射率，改变不同的入射角 i，测出不同的折射角 r，以 sin r 为横坐标，sin i 为纵坐标，做出 sin isin r 图像，由 n可知图sin isin r像应为直线，则直线的斜率就表示玻璃的折射率(2)直尺圆规测量法：如图 2 所示，以 B 点为圆心，以一定长 R 为半径，画一个圆交入射光线于 G 点，交折射光线 BC 于 G，过 G 做 NN的垂线 GH，过 G做 NN的垂线GH，如图所示，sin i，sin r，BGBGR，则 n.只GHBGGHBGsin isin rGHGH要用刻度尺测出 GH、GH的长度就可以求出 n.图 2例 1 在“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确操作，插好了 4 枚大头针P1、P2和 P3、P4，如图 3 所示(1)在坐标纸上画出完整的光路图，并标出入射角 i 和折射角 r；(2)对你画出的光路图进行测量和计算，求得该玻璃砖的折射率 n_(保留两位有效数字)2018 年高中物理创新学案含解析3图 3解析 (1)根据光线通过平行玻璃砖，经玻璃砖折射，入射光线和折射光线将保持平行，那么将入射光线 P1P2与玻璃砖上边界的交点作为入射点，过入射点作上边界的垂线作为法线，则可标出入射角 i，将出射光线 P3P4与玻璃砖下边界的交点作为出射点，将入射点与出射点用一直线连接，这一直线就是折射光线，即可标出折射角 r.(2)由折射率 n，据坐标纸中的格子数，可知 sin i，sin r ，那么折射率sin isin r2212n1.4.2答案 (1)如图所示 (2)1.4针对训练 某同学由于没有量角器，他在完成了光路图后，以 O 点为圆心，10 cm 为半径画圆，分别交线段 OA 于 A 点，交线段 OO的延长线于 C 点，过 A 点作法线 NN的垂线 AB 交 NN于 B 点，过 C 点作法线 NN的垂线 CD 交 NN于 D 点，如图 4 所示用刻度尺量得 OB8 cm，CD4 cm，由此可得出玻璃的折射率 n_.图 4解析 由题图可知 sin AOB，sin DOC，OAOCR，根据 nABOACDOC知，n1.5.sin isin rsin AOBsin DOCABCD102824答案 1.5二、实验注意事项1实验中，玻璃砖在白纸上位置不可移动2不能用手触摸玻璃砖光洁面，更不能把玻璃砖当尺子用3大头针应竖直插在白纸上，且玻璃砖每一侧两枚大头针 P1与 P2间、P3与 P4间的2018 年高中物理创新学案含解析4距离应适当大些，以减小确定光路方向时造成的误差4实验中入射角不宜过小，否则会使测量误差大，也不宜过大5本实验中如果采用的不是两面平行的玻璃砖，而是采用三棱镜、半圆形玻璃砖等，那么只是出射光线和入射光线不平行，同样能测出折射率例 2 在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面 aa、bb与玻璃砖位置的关系分别如图 5、和所示，其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖他们的其他操作均正确，且均以 aa、bb为界面画光路图，则：图 5甲同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大” “偏小”或“不变”)乙同学测得的折射率与真实值相比_(填“偏大” “偏小”或“不变”)丙同学测得的折射率与真实值相比_解析 用图测定折射率时，玻璃中折射光线偏折大了，所以折射角增大，折射率减小；用图测定折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关；用图测定折射率时，无法确定折射光线偏折的大小，所以测得的折射率可大、可小、可不变答案 偏小 不变 可能偏大、也可能偏小、还可能不变实验原理与数据处理1.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，在棱镜的一侧插入两枚大头针 P1和 P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使 P1的像被 P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针 P3、P4，使 P3挡住 P1、P2的像，P4挡住 P3和 P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图 6 所示图 6(1)在本题的图上画出所需的光路图；(2)为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是_、_，在图上标出它们；2018 年高中物理创新学案含解析5(3)计算折射率的公式是_解析 (1)如图所示，画出通过 P1、P2的入射光线，交 AC 面于 O，画出通过 P3、P4的出射光线交 AB 面于 O.则光线 OO就是入射光线 P1P2在三棱镜中的折射光线(2)在所画的图上注明入射角 i 和折射角 r，并画出虚线部分，用量角器量出 i 和 r(或用直尺测出线段 EF、OE、GH、OG 的长度)(3)n(或因为 sin i，sin r，则 n)sin isin rEFOEGHOGEFOEGHOGEFOGOEGH答案 见解析注意事项与误差分析2(多选)在用两面平行的玻璃砖测定玻璃折射率的实验中，其实验光路图如图 7 所示，对实验中的一些具体问题，下列说法正确的是( )图 7A为了减少作图误差，P3和 P4的距离应适当取大些B为减少测量误差，P1、P2连线与法线 NN的夹角应适当取大一些C若 P1、P2的距离较大时，通过玻璃砖会看不到 P1、P2的像D若 P1、P2连线与法线 NN间夹角较大时，有可能在 bb一侧就看不到 P1、P2的像解析 实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且 P1和 P2之间，P2与 O 点之间，P3与 P4之间，P3与 O之间距离要稍大一些入射角应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，也不宜太小在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线答案 AB2018 年高中物理创新学案含解析6题组一 注意事项与误差分析1.(多选)某同学用插针法测定玻璃砖的折射率他的实验方法和操作步骤正确无误但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面 aa与 bb不平行，如图 1 所示则下列说法正确的是( )图 1AP1P2与 P3P4两条直线平行BP1P2与 P3P4两条直线不平行C他测出的折射率偏大D他测出的折射率不受影响答案 BD2在利用插针法测定玻璃折射率的实验中：(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面 aa和 bb后，不小心碰了玻璃砖使它向 aa方向平移了少许，如图 2 甲所示则他测出的折射率将_(填“偏大” “偏小”或“不变”)(2)乙同学在画界面时，不小心将两界面 aa、bb间距画得比玻璃砖宽度大些，如图乙所示，则他测得的折射率_(填“偏大” “偏小”或“不变”)图 2解析 (1)如图所示，甲同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，测得的入射角、折射角没有受到影响，因此测得的折射率将不变(2)如图所示，乙同学利用插针法确定入射光线、折射光线后，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2018 年高中物理创新学案含解析7答案 (1)不变 (2)偏小题组二 实验原理、步骤与数据处理3(多选)某同学做测定玻璃折射率实验时，用他测得的多组入射角 i 与折射角 r，作出 sin isin r 图像如图 3 所示，下列判断中正确的是( )图 3A他做实验时，光线是由空气射入玻璃的B玻璃的折射率为 0.67C玻璃的折射率约为 1.5D当测得入射角为 60时，则折射角为 30解析 由题图可知入射角大于折射角，故选项 A 对；任何介质的折射率都大于 1，故选项 B 错；由折射率公式 n，可得 n1.5，故选项 C 对；由 n得 sin rsin isin r10.67sin isin r，r30，故 D 错sin 601.533答案 AC4测定玻璃砖折射率的实验如图 4 所示，把玻璃砖放在白纸上之前应在纸上先画好图上的三条直线，它们分别是_、_、_，最后按正确的要求插上大头针P3、P4，由 P3、P4的位置决定了光线_的方向，从而确定了折射光线_的方向图 4答案 a NN AO OB OO5用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率，O 为玻璃截面的圆心，使入射光线跟玻璃砖的平面垂直，如图 5 所示的四个图中 P1、P2、P3和 P4是四个学生实验插针的结果2018 年高中物理创新学案含解析8图 5(1)在这四个图中肯定把针插错了的是_(2)在这四个图中可以比较准确地测出折射率的是_计算玻璃的折射率的公式是_解析 如图所示，将 P1P2看做入射光线，P3P4看做出射光线，由题图知，入射光线与界面垂直，进入玻璃砖后，在玻璃砖内传播方向不变，由作出的光路图可知选项 A、C 错误；而选项 B 中光路虽然正确，但入射角和折射角均为零，测不出折射率，只有选项 D 能比较准确地测出折射率，角度如图，其折射率：n.sin rsin i答案 (1)A、C (2)D nsin rsin i6一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的(光线不能通过该表面)现要测定此玻璃砖的折射率给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针 4 枚(P1、P2、P3、P4)、带有刻度的直角三角板、量角器图 6实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直在纸上画出直线 aa和 bb，aa表示镀银的玻璃表面，bb表示另一表面，如图 6 所示然后，2018 年高中物理创新学案含解析9在白纸上竖直插上两枚大头针 P1、P2(位置如图)用 P1、P2的连线表示入射光线(1)为了测量折射率，应如