1、学年新一线导学同步人教版高中物理选修34第十三章 实验测定玻璃的折射率实验：测定玻璃的折射率学科素养与目标要求物理观念：1.知道测定玻璃的折射率的原理、方法、步骤.2.知道实验误差产生的原因和减小误差的方法科学思维：1.会画光路图.2.会确定入射光线和折射光线，并会测定入射角和折射角.3.会计算折射率及折射率的平均值科学探究：掌握测定玻璃折射率的方法，学会规范作图，在测定玻璃的折射率实验中训练并提高作图能力一、实验原理用插针法确定光路，找出与入射光线相应的出射光线，就能在玻璃砖中画出对应的折射光线，从而可以测出一组对应的入射角和折射角，根据折射定律，便可求出玻璃的折射率二、实验器材玻璃砖、白纸
2、、木板、大头针四枚、图钉(34枚)、量角器、直尺、铅笔三、操作步骤1把白纸用图钉钉在木板上2用直尺画一条平行于玻璃砖一个面的一条线aa作为界面，过aa上一点O作垂直于aa的直线NN作为法线，过O点画一条入射光线AO，使入射角1适当大些，如图1所示图13在AO线上竖直地插两枚大头针P1、P2，在白纸上放上被测玻璃砖，使玻璃砖的一个面与aa重合4沿玻璃砖的另一侧面用直尺画一条直线bb.5在玻璃砖的bb一侧白纸上竖直地立一枚大头针P3，调整视线，同时移动大头针P3的位置，当P3恰好能同时挡住玻璃砖aa一侧所插的大头针P1、P2的像时，把大头针P3插好6在玻璃砖bb一侧再竖直地插一枚大头针P4，使P4
3、能挡住P3本身，同时也能挡住P1、P2的像7记下P3、P4的位置，移去玻璃砖，拔去大头针，过P3、P4连一条直线BO交bb于O点，连接OO，OO就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线，折射角为2.8用量角器量出入射角1和折射角2的大小9改变入射角1，重复上面的步骤再做三、四次，量出相应的入射角和折射角四、数据处理1计算法：通过多次测量入射角和折射角，得出多组入射角和折射角的正弦值，再代入n中求出多个n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率2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EH，分别交NN于
4、点H、H，如图2所示图2(2)由图中关系知sin 1，sin 2，OEOER，则n，只要用刻度尺测出EH、EH的长度就可以求出n.(3)图象法：求出多组对应的入射角与折射角的正弦值，作出sin 1sin 2图象，由n可知图象应为直线，如图3所示，其斜率为折射率图3五、注意事项1实验中，玻璃砖在纸上的位置不可移动2不能用手触摸玻璃砖光洁的光学面，更不能把玻璃砖当尺子用3大头钉应竖直插在白纸上，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或过大，否则会使测量误差增大.一、实验原理与操作例1(2018大兴区高二检测)“测定玻
5、璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa和bb分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图4所示在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3和P4.图4(1)在插P3和P4时，应使_(选填选项前的字母)AP3只挡住P1的像BP4只挡住P3CP3同时挡住P1、P2的像DP4挡住P3及P1、P2的像(2)按(1)中的做法确定大头针P3和P4的位置，请将光路图补充完整，并在图中标出需要测量的量，则玻璃砖的折射率可表示为n_.(用图中标出的测量量表示)答案(1)CD(2)见解析图(需要测量的量是图中i和r) 解析(1)实验的过程中，要先在
6、白纸上放好玻璃砖，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在玻璃砖另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，使P4挡住P3和P1、P2的像，故C、D正确(2)光路图如图所示，根据折射定律可知需要测量入射角和折射角，即测量的量是图中i和r.由折射定律有n.学科素养本实验关键是找出对应入射光线的出射光线，从而画出光在玻璃中的折射光线考察了对实验原理的理解、实验操作的把握和数据的处理，体现了“物理观念”、“科学思维”和“实验探究”的学科素养在实验过程中要保持认真严谨的态度，又体现了“科学态度与责任”的学科素养针对训练
7、(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5所示，对实验中的一些具体问题，下列说法正确的是()图5A为了减小作图误差，P3和P4的距离应适当大一些B为减小测量误差，P1、P2连线与玻璃砖界面法线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实验中为方便操作可用玻璃砖代替尺子画线答案AB解析实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1与P2之间，P2与O点之间，P3与P4之间，P3与O点之间距离要稍大一些入射角1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大，也不宜太小实验中严禁用玻璃砖代替尺子画线二、实验数据处理及误差分析例2在
8、“测定玻璃的折射率”实验中，某同学经正确的操作，插好了4枚大头针P1、P2和P3、P4，如图6所示图6(1)在图中坐标纸上画出完整的光路图，并标出入射角1和折射角2；(2)对画出的光路图进行测量，求出该玻璃的折射率n_(结果保留两位有效数字)答案(1)如图所示(2)1.4(1.21.6)例3在用插针法测定玻璃折射率的实验中，甲、乙两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7中和所示，其中甲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7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
9、与真实值相比_(填“偏大”、“偏小”或“不变”)答案偏小不变解析用题图测定折射率时，玻璃中折射角测量值大于实际值，故折射率偏小；用题图测定折射率时，只要操作正确，折射率与玻璃砖形状无关三、其他形状玻璃砖求折射率“测定玻璃折射率”实验中，也可以用三棱镜、半圆形玻璃砖等进行测量实验中只要利用“插针法”定出入射光线和出射光线，其与界面的交点就是入射点和出射点，连接入射点和出射点就能作出折射光线，一样可以测出折射率光路图如图8所示图8例4用三棱镜做测定玻璃的折射率的实验，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
10、的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P1、P2的像和P3，在纸上标出大头针的位置和三棱镜轮廓，如图9所示图9(1)在图上画出所需的光路图(2)为了测出该三棱镜的折射率，需要测量的物理量是_，在图上标出它们(3)计算折射率的公式是n_.答案见解析解析(1)光路图如图所示，画出通过P1、P2的入射光线，交AC于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB于O，连接OO，则光线OO就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线(2)在所画的图上画出虚线部分，并注明入射角1和折射角2，用量角器量出1和2(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度)(3)n(或因为sin 1，sin
11、2，则n)1(实验原理与操作)(多选)某同学用“插针法”做测定玻璃折射率实验时，他的方法和操作步骤都正确无误，但他处理实验记录时，发现玻璃砖的两个光学面aa和bb不平行，如图10所示，则()图10AP1P2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BD解析光线由aa进入玻璃砖时，由折射定律得n，光线由bb射出玻璃砖时，由折射定律得n.若aa/bb，则有32，进而有14，出射光线OB与入射光线OA平行若aa和bb不平行，则有32，进而有14，出射光线OB与入射光线AO不平行，故选项B正确，A错误；在用“插针法”测玻璃的折射率时，只要实
12、验方法正确，光路准确无误，结论必定是正确的，玻璃的折射率不会受玻璃砖形状的影响，选项D正确，C错误2(实验原理与操作)在测定玻璃的折射率的实验中，对一块两面平行的玻璃砖，用插针法找出与入射光线对应的出射光线，现在甲、乙、丙、丁四位同学分别做出如图11所示的四组插针结果图11(1)从图上看，肯定把大头针插错了的同学是_(2)从图上看，测量结果准确度最高的同学是_答案(1)甲、乙(2)丁3(实验数据处理)(2018金华一中高二上学期第二次段考)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，如图12所示图12(1)请在图13中画出完整的光路图图13(2)对画出的光路图进行测量和计算
13、，求得该玻璃砖的折射率n_(保留3位有效数字)(3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象，某同学做了两次实验，经正确操作插好了8枚大头针，如图14所示图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和_(填“A”或“B”)图14答案(1)如图所示(2)1.53(说明：0.03范围内均可)(3)A解析(1)分别连接玻璃砖两侧的大头针所在的点并延长，与玻璃砖两平行边分别相交，标出传播方向，然后连接玻璃砖边界的两交点，即为光线在玻璃砖中的传播线路光路图如图所示(2)设方格纸上正方形的边长为1，光线的入射角为1，折射角为2，则sin 10.798，sin 20.521，所
14、以该玻璃砖的折射率n1.53.(3)由题图可知，光线P1P2入射到玻璃砖上时，相当于光线射到了一个三棱镜上，因此出射光线将向底边偏折，所以出射光线过P3和A.4(实验数据处理)如图15所示，某同学做“测定玻璃的折射率”实验时，完成光路图后，由于没有量角器，借助圆规以O为圆心画圆，该圆交入射光线于A点，交OO连线延长线于C点分别过A点、C点作法线NN的垂线AB、CD交NN于B点、D点，请用刻度尺测量并计算得到此种玻璃的折射率n_.(结果保留两位有效数字)图15答案1.5解析由折射定律有n，测得AB1.13 cm、CD0.73 cm，代入数据解得n1.5.1在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，实验方
15、法和步骤完全正确，但测后发现玻璃砖的两个光学面不平行，则_A入射光线与出射光线一定不平行，测量值偏大B入射光线与出射光线一定不平行，测量值偏小C入射光线与出射光线一定不平行，测量值仍然正确D入射光线与出射光线可能平行，测量值仍然正确答案C解析只要实验方法和步骤完全正确，测量值的准确性与玻璃砖的两个光学面是否平行没有关系2在做“插针法测量玻璃砖的折射率”的实验中，对于如图所示的梯形玻璃砖(两个光学面不平行)，实验结果可能是下列图中的_(请选择一个正确答案)答案B3.在“用插针法测玻璃砖折射率”的实验中，玻璃砖的ab边与ab边相互平行，aa边与bb边不平行，某同学在白纸上仔细画出了玻璃砖的两条边线
16、aa与bb，如图1所示图1(1)实验时，先在玻璃砖的一侧插两枚大头针P1和P2以确定入射光线AO，接着，眼睛应在玻璃砖的_(填“同一侧”或“另一侧”)观察所插的两枚大头针P1和P2，同时通过插第三、第四枚大头针来确定从玻璃砖射出的光线(2)实验中是否要求四枚大头针的针帽在同一视线上？_(填“是”或“否”)(3)下列操作可以减小实验误差的是_(填字母代号)A适当增大大头针P1、P2的间距B选择玻璃砖相互平行的ab、ab边来测量C选用尽可能细的笔画线D使AO的入射角接近于90答案(1)另一侧(2)否(3)AC解析(1)实验时，先在玻璃砖的一侧插两枚大头针P1和P2以确定入射光线AO；接着，眼睛在玻
17、璃砖的另一侧观察所插的两枚大头针P1和P2，同时通过插第三、第四枚大头针来确定从玻璃砖射出的光线；(2)实验中要求四枚大头针的针尖在同一视线上，而不是针帽(3)大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些时，角度的测量误差会小些，故A正确；用插针法测定玻璃砖折射率时，玻璃砖上、下表面不一定要平行，故B错误；为了准确确定入射光线和折射光线，选用尽可能细的笔画线，故C正确；为了减小测量的相对误差，选择的入射角应适当，不宜过小也不宜过大，故D错误4.如图2所示，把玻璃砖放在木板上，下面垫一张白纸，在白纸上描出玻璃砖的两个边a和a.然后在玻璃砖的一侧插两个大头针A、B，AB的延长线与直线a的交点为O
18、.眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使B把A挡住然后在眼睛所在的一侧再插第三个大头针C，使它把A、B的像都挡住，插第四个大头针D，使它把A、B的像和C都挡住，那么后两个大头针就确定了从玻璃砖射出的光线在白纸上描出光线的径迹，要计算玻璃砖的折射率需要测量的物理量是图中的_；为了减小实验误差，入射角应_(选填“大些”或“小些”)图2答案和大些5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3所示则他测出的折射率将_(选填“偏大”“偏小”或“不变”)图3(2)乙同学在画界面时，不小心将两界面aa、bb间距画
19、得比玻璃砖宽度大些，如图4所示，则他测得的折射率将_(选填“偏大”“偏小”或“不变”)图4答案(1)不变(2)偏小解析(1)如图甲所示，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)如图乙所示，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6.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，画出完整的光路图，由于没有量角器，他以入射点O为圆心画圆交入射光线于A点，交折射光线于B点，过A点画法线的垂线与法线交于C点，过B点画法线的垂线与法线交于D点，如
20、图5所示，若各线段的长度可以用、表示，则玻璃的折射率可表示为_图5答案解析由折射定律有n.7(2012重庆卷)如图6甲所示为光学实验用的长方体玻璃砖，它的_面不能用手直接接触在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，两位同学绘出的玻璃砖和三个针孔a、b、c的位置相同，且插在c位置的针正好挡住插在a、b位置的针的像，但最后一个针孔的位置不同，分别为d、e两点，如图乙所示计算折射率时，用_(填“d”或“e”)点得到的值较小，用_(填“d”或“e”)点得到的值误差较小图6答案光学de解析实验用的光学玻璃砖的光学面不能用手接触，以防止损坏其光学面如图所示，连接cd、ce并反向延长分别交CD于O1、O2点，并
21、连接OO1、OO2，入射角i相同，折射角OOO2OOO1，由折射定律得，折射角越大的，求得的折射率越小由图可得，用d点得到的值较小，而ce与ab近似平行，故用e点得到的值误差小8.利用插针法测玻璃的折射率，实验中先将玻璃砖固定在水平桌面上的白纸上，画出玻璃砖两侧界面MN、PQ，在玻璃砖的一侧插好大头针P1、P2后，某同学发现在P1、P2的同侧通过玻璃砖在如图7所示位置也可观察到P1、P2的像，于是他在白纸上插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，然后，他又插下大头针P4，使P4挡住P3以及P2、P1的像，取走玻璃砖，画P1、P2连线交MN于O点，P4、P3连线交MN于O点，测出P1、P2连线与
22、MN间的夹角30，玻璃砖的厚度h2.00 cm，OO两点间的距离l3.00 cm.则玻璃砖的折射率为_图7答案1.44解析将P1、P2所在直线当作入射光线，其光路图如图所示：即光线折射入玻璃砖，射到其下表面后发生反射，反射光又经上表面折射后穿出玻璃砖，由光的反射定律及几何关系知：sin 由折射定律得，n1.44.9在“测定玻璃折射率”的实验中(1)操作步骤如下：先在白纸上画出一条直线aa代表两种介质的界面，过aa上的O点画出界面的法线NN，并画一条线段AO作为入射光线把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa对齐在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像调整
23、视线方向，直到P1的像被P2的像挡住再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，记下P3、P4的位置移去大头针和玻璃砖，连接P3、P4作为折射光线，测量出入射角1与折射角2，填入表格中上述操作步骤中存在严重的缺漏，应做的补充是_.(2)实验中测出了多组入射角1与折射角2，并作出了sin 1sin 2的图象如图8所示，则下列说法正确的是_图8A实验时，光线是由空气射入玻璃B实验时，光线是由玻璃射入空气C玻璃的折射率为0.67D玻璃的折射率为1.5答案(1)见解析(2)BD解析(1)步骤中应在白纸上画出玻璃砖的另一个界面bb，步骤中应令P3、P4
24、的连线与bb的交点为O，连接O和aa上的入射点O，作出玻璃砖中的光线OO.(2)由题图可看出入射角1小于折射角2，因此，光线应该是由玻璃射入空气，则玻璃折射率n1.5，所以选项B、D正确10.学校开展研究性学习，某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测量液体折射率的仪器，如图9所示，在一圆盘上，过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上，垂直盘面插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直浸入液体中，而且总保持液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住P1、P
25、2的像，同学们通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值，则：图9(1)若AOF30，OP3与OC的夹角为30，则P3处对应的折射率的值为_(2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率的值大？答：_.(3)作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率的值应为_答案(1)(2)P4(3)1解析(1)根据折射定律n，题中1EOP360，2AOF30，所以n.(2)题图中P4对应的空气中光线与法线夹角大于P3对应的空气中光线与法线夹角，所以P4对应的折射率的值大(3)因A、O、K在一条直线上，入射角等于折射角，所以K处对应的折射率的值应为1.
