最新高中物理選修3-4實(shí)驗(yàn)操作及試題

PAGEPAGE6物理選修3-4實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1.測得玻璃的折射率【知識要點(diǎn)】一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．測定玻璃的折射率．2．學(xué)會用插針法確定光路．二、實(shí)驗(yàn)原理如下圖，當(dāng)光線AO1以一定的入射角θ1穿過兩面平行的玻璃磚時，通過插針法找出跟入射光線AO1對應(yīng)的出射光線O2B，從而求出折射光線O1O2和折射角θ2，再根據(jù)n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)或n＝eq\f(PN,QN′)算出玻璃的折射率．三、實(shí)驗(yàn)器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針、圖釘、量角器(或圓規(guī))、三角板、鉛筆．四、實(shí)驗(yàn)步驟1.如下圖，把白紙鋪在木板上．2．在白紙上畫一直線aa′作為界面，過aa′上的一點(diǎn)O畫出界面的法線NN′，并畫一條線段AO作為入射光線．3．把長方形玻璃磚放在白紙上，并使其長邊與aa′重合，再用直尺畫出玻璃磚的另一邊bb′.4．在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2.5．從玻璃磚bb′一側(cè)透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像，調(diào)整視線的方向直到P1的像被P2的像擋?。僭赽b′一側(cè)插上兩枚大頭針P3、P4，使P3能擋住P1、P2的像，P4能擋住P3本身及P1、P2的像．6．移去玻璃磚，在拔掉P1、P2、P3、P4的同時分別記下它們的位置，過P3、P4作直線O′B交bb′于O′.連接O、O′，OO′就是玻璃磚內(nèi)折射光線的方向．∠AON為入射角，∠O′ON′為折射角．7．改變?nèi)肷浣牵貜?fù)實(shí)驗(yàn)．五、數(shù)據(jù)處理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．作sinθ1－sinθ2圖象：改變不同的入射角θ1，測出不同的折射角θ2，作sinθ1－sinθ2圖象，由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)可知圖象應(yīng)為直線，如圖實(shí)－13－3所示，其斜率為折射率．圖實(shí)－13－33．“單位圓法〞確定sinθ1、sinθ2，計算折射率n.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OA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′.如圖實(shí)－13－4所示，sinθ1＝eq\f(EH,OE)，sinθ2＝eq\f(E′H′,OE′)，OE＝OE′＝R，那么n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(EH,E′H′).只要用刻度尺測出EH、E′H′的長度就可以求出n.4．實(shí)驗(yàn)過程中，玻璃磚與白紙的相對位置不能改變．5．玻璃磚應(yīng)選用寬度較大的，宜在5cm以上，假設(shè)寬度太小，那么測量誤差較大．七、誤差分析1．入射光線、出射光線確定的準(zhǔn)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(yīng)大一些．2．入射角和折射角的測量造成誤差，故入射角應(yīng)適當(dāng)大些，以減小測量的相對誤差．八、實(shí)驗(yàn)改良本實(shí)驗(yàn)可用半圓形玻璃磚代替長方形玻璃磚，做法如下：在平鋪的白紙上垂直紙面插大頭針P1、P2，確定入射光線，并讓入射光線過圓心O，在玻璃磚另一側(cè)垂直紙面插大頭針P3，使P3擋住P1、P2的像，連接OP3，作光路圖如下圖．那么折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(\f(AB,OB),\f(CD,OC))＝eq\f(AB,CD).【考點(diǎn)突破】P1P2P3P4aa′b′bP1P2P3P4aa′b′birAOBENN′〔1〕證明入射玻璃磚的光線和出射的光線平行〔2〕證明側(cè)移量隨入射角的增大而增大?！?〕由圖示可知能夠確定入射角和折射角，因此可以測定玻璃的折射率，怎樣確定入射光線？怎樣確定折射光線？〔插針法〕〔4〕實(shí)驗(yàn)過程中，角度的測量會帶來誤差，實(shí)驗(yàn)時入射角度大一些好還是小一些好？〔5〕實(shí)驗(yàn)的過程中入射角和折射角不一定是特殊角，計算角度的正弦值有很大的難度。你怎樣解決這個問題？〔6〕只使用一次測量數(shù)據(jù)會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來很大的誤差，某位同學(xué)屢次測量入射角α和折射角β，做出了如下圖的圖像。圖像中斜率表示什么意思？(7)某同學(xué)用插針法測定玻璃磚的折射率，他的實(shí)驗(yàn)方法和操作步驟正確無誤。但他處理實(shí)驗(yàn)記錄時發(fā)現(xiàn)玻璃磚的兩個光學(xué)面aa’與bb’不平行，如下圖：那么〔〕A．P1P2與P3P4兩條直線平行B．P1P2與P3P4兩條直線不平行C．他測出的折射率偏大D．他測出的折射率不受影響(8)在利用插針法測定玻璃磚折射率的實(shí)驗(yàn)中：①甲同學(xué)在紙上正確畫出玻璃磚的兩個界面aa’和bb’后，不自覺地碰了玻璃磚使它向aa’方向平移了少許，如下圖:那么他測出的折射率值將_____(選填“偏大〞、“偏小〞或“不變〞)；②乙同學(xué)在畫界面時，不自覺地將兩界面aa’、bb’間距畫得比玻璃磚寬度些，如下圖，那么他測得折射率(填“偏大〞、“偏小〞“不變〞).變式1.同學(xué)用圓柱形玻璃磚做測定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)，先在白紙上放好圓柱形玻璃磚，在玻璃磚的一側(cè)插上兩枚大頭針P1和P2，然后在圓柱形玻璃磚另一側(cè)觀察，調(diào)整視線使P1的像被P2的像擋住，接著在眼睛所在一側(cè)相繼又插上兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，使P4擋住P3和P1、P2的像，在紙上標(biāo)出的大頭針位置和圓柱形玻璃磚的邊界如下圖．〔1〕在圖上畫出所需的光路．〔2〕了測量出玻璃磚折射率，需要測量的物理量有〔要求在圖上標(biāo)出〕．〔3〕寫出計算折射率的公式n=.變式2.一塊玻璃磚有兩個相互平行的外表，其中一個外表是鍍銀的〔光線不能通過此外表〕.現(xiàn)要測定此玻璃的折射率，給定的器材還有：白紙、鉛筆、大頭針4枚〔、、、〕、帶有刻度的直角三角板、量角器.實(shí)驗(yàn)時，先將玻璃磚放到白紙上，使上述兩個相互平行的外表與紙面垂直.在紙上畫出直線和，表示鍍銀的玻璃外表，表示另一外表，如下圖.然后，在白紙上豎直插上兩枚大頭針、〔位置如圖〕.用、的連線表示入射光線.〔1〕為了測量折射率，應(yīng)如何正確使用大頭針、？試在題圖中標(biāo)出、的位置.〔2〕然后，移去玻璃磚與大頭針.試在題圖中通過作圖的方法標(biāo)出光線從空氣到玻璃中的入射角與折射角.簡要寫出作圖步驟.〔3〕寫出用、表示的折射率公式.θP1P2Oθ變式3.徐老師用大頭針、三角板、量角器等器材測半圓形玻璃磚的折射率。開始玻璃磚的位置如圖中實(shí)線所示，使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上，該直線垂直于玻璃磚的直徑邊，然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉(zhuǎn)動，同時在玻璃磚直徑邊一側(cè)觀察P1、P2的像，且PθP1P2Oθ變式4.學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí)，某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)的光學(xué)知識，設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器，如下圖．在一個圓形木盤上過其圓心O作兩條相互垂直的直徑BC、EF，在半徑OA上垂直圓盤面插下兩枚大頭針P1、P2并保持P1、P2的位置不變，每次測量時，讓圓盤的BFC局部豎直進(jìn)入液體中，而且總使得液面與直徑BC相平，EF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．同學(xué)們通過計算，預(yù)先在圓周EC局部刻好了折射率的值。這樣只要根據(jù)P所插的位置，就可直接讀出液體折射率的值．那么 〔1〕假設(shè)，OP3與OC的夾角為，那么P3處所對應(yīng)的折射率的值為________． 〔2〕圖中P3、P4兩位置哪一處所對應(yīng)的折射率值大？__________． 〔3〕作AO的延長線交圓周于K，K處所對應(yīng)的折射率的值應(yīng)為_________．變式5.如下圖，置于空氣中的一不透明容器內(nèi)盛滿某種透明液體．容器底部靠近器壁處有一豎直放置的6.0cm長的線光源．靠近線光源一側(cè)的液面上蓋有一遮光板，另一側(cè)有一水平放置的與液面等高的望遠(yuǎn)鏡，用來觀察線光源．開始時通過望遠(yuǎn)鏡不能看到線光源的任何一局部．將線光源沿容器底向望遠(yuǎn)鏡一側(cè)平移至某處時，通過望遠(yuǎn)鏡剛好可以看到線光源底端．再將線光源沿同一方向移動8.0cm，剛好可以看到其頂端．求此液體的折射率n.實(shí)驗(yàn)2.用雙縫干預(yù)測光的波長【知識要點(diǎn)】一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解光波產(chǎn)生穩(wěn)定干預(yù)現(xiàn)象的條件．2．觀察雙縫干預(yù)圖樣．3．測定單色光的波長．二、實(shí)驗(yàn)原理1．光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光，單色光經(jīng)過單縫后相當(dāng)于線光源，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干預(yù)圖樣，我們通過光屏可以觀察到明暗相間的干預(yù)條紋．假設(shè)用白光照射，通過兩狹縫可以在光屏上觀察到彩色條紋．2.根據(jù)λ＝eq\f(d,l)Δx可以計算出單色光的波長．公式中d為雙縫間距離，Δx為相鄰兩條亮紋間的距離，l為雙縫到屏之間的距離，實(shí)驗(yàn)中d一般是的，所以測出l、Δx即可求出光的波長．Δx的測量可用測量頭完成，如下圖，測量頭由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成．通過測量頭可清晰看到干預(yù)條紋，分劃板上中心有刻線，以此作標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)手輪的讀數(shù)可求得Δx.由于Δx較小，可測出n條亮(或暗)條紋的間距a，那么相鄰亮條紋間的距離Δx＝eq\f(a,n－1).三、實(shí)驗(yàn)器材雙縫干預(yù)儀(由光具座、光源、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、毛玻璃屏、測量頭組成)，另外還有學(xué)生電源、導(dǎo)線、刻度尺．四、實(shí)驗(yàn)步驟1．觀察干預(yù)條紋(1)將光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上．(2)接好光源，翻開開關(guān)，使燈絲正常發(fā)光．(3)調(diào)節(jié)各器件的高度，使光源發(fā)出的光能沿軸線到達(dá)光屏．(4)安裝雙縫和單縫，中心大致位于遮光筒的軸線上，使雙縫與單縫的縫平行，二者間距約5cm～10cm，這時，可觀察白光的干預(yù)條紋．(5)在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的干預(yù)條紋．2．測定單色光的波長(1)安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干預(yù)條紋．(2)使分劃板中心刻線對齊某條亮條紋的中央，記下手輪上的讀數(shù)a1，將該條紋記為第1條亮紋；轉(zhuǎn)動手輪，使分劃板中心刻線移動至另一亮條紋的中央，記下此時手輪上的讀數(shù)a2，將該條紋記為第n條亮紋．(3)用刻度尺測量雙縫到光屏的距離l(d是的)．(4)重復(fù)測量．五、數(shù)據(jù)處理1．條紋間距Δx＝|eq\f(a2－a1,n－1)|.2．波長λ＝eq\f(d,l)Δx.3．計算多組數(shù)據(jù)，求λ的平均值．六、考前須知1．雙縫干預(yù)儀是比擬精密的儀器，應(yīng)輕拿輕放，且注意保養(yǎng)．2．安裝時，注意調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫、雙縫的中心均在遮光筒的中心軸線上，并使單縫、雙縫平行且間距適當(dāng)．(3)分劃板刻線與干預(yù)條紋不平行，中心刻線沒有恰好位于條紋中心．(4)測量多條亮條紋間的距離時讀數(shù)不準(zhǔn)確，此間距中的條紋數(shù)未數(shù)清．八、實(shí)驗(yàn)改良實(shí)驗(yàn)室里的雙縫干預(yù)儀比擬精密，并且安裝不方便，調(diào)節(jié)、測量時十分麻煩．現(xiàn)用一種簡單方法替換如下：用一支小孩激光筆，水平放置在桌面上，前面放置一雙縫，那么在正對的墻上就出現(xiàn)十清楚顯的雙縫干預(yù)條紋，測出相關(guān)的物理量，利用公式Δx＝eq\f(l,d)λ即可求出λ.優(yōu)點(diǎn)：簡單易操作．缺點(diǎn)：精度偏低．【考點(diǎn)突破】問題2．如下圖是用雙縫干預(yù)測光的波長的實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖．(1)圖中①是光源，⑤是光屏，它們之間的②③④依次是____________、____________和____________．(2)以下哪些操作能夠增大光屏上相鄰兩條亮紋之間的距離()A．增大③和④之間的距離B．增大④和⑤之間的距離C．將紅色濾光片改為綠色濾光片D．增大雙縫之間的距離(3)在某次實(shí)驗(yàn)中，雙縫到光屏之間的距離是600mm，雙縫之間的距離是0.20mm，單縫到雙縫之間的距離是100mm.某同學(xué)在用測量頭測量時，先將測量頭目鏡中看到的分劃板中心刻線對準(zhǔn)某條亮紋(記作第1條)的中心，這時手輪上的示數(shù)如圖甲所示．然后他轉(zhuǎn)動測量頭，使分劃板中心刻線對準(zhǔn)第7條亮紋的中心，這時手輪上的示數(shù)如圖乙所示，這兩次示數(shù)依次為______mm和________mm，由此可以計算出這次實(shí)驗(yàn)中所測得的單色光的波長為________nm.變式1.利用圖中裝置研究雙縫干預(yù)現(xiàn)象時，有下面幾種說法,其中正確的是：A.將屏移近雙縫，干預(yù)條紋間距變窄B.將濾光片由藍(lán)色的換成紅色的,干預(yù)條紋間距變寬C.將單縫向雙縫移動一小段距離,干預(yù)條紋間距變寬D.換一個兩縫間距離較大的雙縫,干預(yù)條紋間距變窄E.去掉濾光片后,干預(yù)現(xiàn)象消失變式2.在用雙縫干預(yù)測光的波長的實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)備了以下儀器：A．白熾燈B．雙窄縫片C．單窄縫片D．濾光片E．毛玻璃光屏〔1〕把以上儀器安裝在光具座上，自光源起合理的順序是_________〔填字母〕；〔2〕在某次實(shí)驗(yàn)中，用某種單色光通過雙縫在光屏上得到明暗相間的干預(yù)條紋，其中亮紋a、c的位置利用測量頭上的分劃板確定，如下圖；其中表示a紋位置〔圖甲〕的手輪讀數(shù)為mm，c紋位置〔圖乙〕的手輪讀數(shù)為mm；〔3〕雙縫間的距離為0.18mm，雙縫與屏的距離為500mm，那么單色光的波長為μm.變式3．在利用雙縫干預(yù)測光的波長時，首先調(diào)節(jié)光源、濾光片、單縫和雙縫的中心均位于遮光筒的中心軸線上，并使單縫和雙縫豎直并且互相平行，當(dāng)屏上出現(xiàn)了干預(yù)圖樣后，用測量頭上的游標(biāo)卡尺去測量，轉(zhuǎn)動手輪，移動分劃板使分劃中心刻線與某條明紋中心對齊時(如圖甲所示)將此明紋記為1，然后再轉(zhuǎn)動手輪，分劃板中心刻線向右移動，依次經(jīng)過2,3……等明紋，最終與明紋6中心對齊，分劃板中心刻線與明紋1和明紋6對齊時游標(biāo)卡尺示數(shù)分別如圖中乙、丙所示(游標(biāo)卡尺為10分度)，那么圖乙對應(yīng)的讀數(shù)為________m，圖丙對應(yīng)的讀數(shù)為________m.用刻度尺量得雙縫到屏的距離為60.00cm，由雙縫上標(biāo)示獲知雙縫間距為0.2mm，那么發(fā)生干預(yù)的光波波長為________m.在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)經(jīng)粗調(diào)后透過測量頭上的目鏡觀察，看不到明暗相間的條紋，只看到一片亮區(qū)，造成這種情況的最可能的原因是___________________________________．變式4．甲乙在“用雙縫干預(yù)測光的波長〞的實(shí)驗(yàn)中，將雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)儀按要求安裝在光具座上(如圖實(shí)－14－10所示)，并選用縫間距d＝0.20mm的雙縫屏．從儀器注明的規(guī)格可知，像屏與雙縫屏間的距離L＝700mm甲乙(1)測量頭主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度．某同學(xué)調(diào)整手輪后，從測量頭的目鏡看去，第一次映入眼簾的干預(yù)條紋如圖甲(a)所示，圖甲(a)中的數(shù)字是該同學(xué)給各暗紋的編號，此時圖甲(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x1＝1.16mm；接著再轉(zhuǎn)動手輪，映入眼簾的干預(yù)條紋如圖乙(a)所示，此時圖乙(b)中游標(biāo)尺上的讀數(shù)x2＝________mm；(2)利用上述測量結(jié)果，經(jīng)計算可得兩個相鄰明紋(或暗紋)間的距離Δx＝________mm；這種色光的波長λ＝________nm.變式5.現(xiàn)有毛玻璃屏A、雙縫B、白光光源C、單縫D和透紅光的濾光片E等光學(xué)元件,要把它們放在圖所示的光具座上組裝成雙縫干預(yù)裝置,用來測量紅光的波長.(1)將白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光學(xué)元件,由左至右,表示各光學(xué)元件的字母排列順序應(yīng)為C、、A.(2)本實(shí)驗(yàn)的步驟有：①取下遮光筒左側(cè)的元件,調(diào)節(jié)光源高度,使光束能直接沿遮光筒軸線把屏照亮;②按合理順序在光具座上放置各光學(xué)元件,并使各元件的中心位于遮光筒的軸線上;③用米尺測量雙縫到屏的距離;④用測量頭(其讀數(shù)方法同螺旋測微器)測量數(shù)條亮紋間的距離.在操作步驟②時還應(yīng)注意和.(3)將測量頭的分劃板中心刻線與某亮紋中心對齊,將該亮紋定為第1條亮紋,此時手輪上的示數(shù)如圖甲所示.然后同方向轉(zhuǎn)動測量頭,使分劃板中心刻線與第6條亮紋中心