第2節(jié) 實驗：測定玻璃的折射率

實驗器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針?biāo)拿?、圖釘四枚、量角器、三角板(或直尺)、鉛筆。

實驗步驟1．將白紙用圖釘釘在平木板上。2．如圖所示，在白紙上畫出一條直線aa′作為界面(線)，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，使它的長邊跟aa′對齊，用直尺或三角板輕靠在玻璃磚的另一長邊，按住直尺或三角板不動，將玻璃磚取下，畫出玻璃磚的另一邊bb′。4．在直線AO上豎直插上兩枚大頭針P1、P2，放回玻璃磚，透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像，調(diào)整視線方向直到P2的像擋住P1的像。再在觀察者一側(cè)豎直插上兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P3及P1、P2的像，記下P3、P4的位置。5．移去大頭針和玻璃磚，過P3、P4所在處作直線O′B與bb′交于O′，直線O′B就代表了沿AO方向入射的光線通過玻璃磚后的傳播方向，連接OO′，線段OO′代表了光線在玻璃磚內(nèi)的傳播路徑。

誤差分析

注意事項1．實驗時，盡可能將大頭針豎直插在紙上，且大頭針之間及大頭針與光線轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的距離要稍大一些。2．入射角i應(yīng)適當(dāng)大一些，以減小測量角度的誤差，但入射角不宜太大。3．在操作時，手不能觸摸玻璃磚的光潔面，更不能把玻璃磚界面當(dāng)尺子畫界線。4．在實驗過程中，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。若寬度太小，則測量誤差較大。

產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差入射、折射光線畫不精確兩大頭針間距適當(dāng)大些入射角、折射角測不準(zhǔn)入射角適當(dāng)大些二、他版教材實驗方案(一)魯科版教材實驗方案

[差異解讀]

(1)用水代替玻璃。(2)用激光發(fā)出的光代替插針法對光線的確定(二)粵教版教材實驗方案

[差異解讀](1)用半圓形玻璃磚代替平行玻璃磚。(2)用激光發(fā)出的光代替插針法對光線進(jìn)行確定。(3)用帶角度的背景板取代量角器。[典例1]在“測量玻璃的折射率”實驗中：(1)為了取得較好的實驗效果，下列說法正確的是________。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)大些實驗原理與操作(2)A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，如圖甲所示，則他測得的折射率________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。(3)B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(diǎn)為圓心，OA為半徑畫圓，并延長OO′交圓于C點(diǎn)，過A點(diǎn)和C點(diǎn)作垂直于法線的直線分別交于B點(diǎn)和D點(diǎn)，如圖乙所示，則他只需要測量______________，就可求出玻璃的折射率n＝________(用所測量的物理量表示)。(1)選擇玻璃磚時寬度宜大些，這樣可以減小確定光路方向時出現(xiàn)的誤差，提高測量的準(zhǔn)確度。(2)實驗中一旦玻璃磚所定的界面線aa′、bb′畫好后，放置的玻璃磚就不要隨便移動，如果玻璃磚斜向移動，測得的折射率一定變化。如果稍微上下平移了玻璃磚，對測量結(jié)果沒有影響。[典例2]在“測量玻璃的折射率”實驗中，某同學(xué)正確操作插好了4枚大頭針，如圖甲所示。(1)在圖乙中畫出完整的光路圖。數(shù)據(jù)處理和誤差分析(2)對畫出的光路圖進(jìn)行測量和計算，求得該玻璃磚的折射率n＝________(保留三位有效數(shù)字)。(3)為了觀測光在玻璃磚不同表面的折射現(xiàn)象，某同學(xué)做了兩次實驗，經(jīng)正確操作插好了8枚大頭針，如圖丙所示。圖中P1和P2是同一入射光線上的2枚大頭針，其對應(yīng)出射光線上的2枚大頭針是P3和________(填“A”或“B”)。[答案]

(1)見解析圖(a)(2)1.53(1.50～1.56均可)

(3)A(1)利用題目提供的方格紙可計算三角函數(shù)的正弦值，進(jìn)而根據(jù)折射率計算公式計算折射率。(2)對于質(zhì)地均勻的玻璃磚而言，如果光線的入射邊界和出射邊界平行，那么入射光線和出射光線平行。1．[實驗器材的創(chuàng)新]用圓弧狀玻璃磚做測量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擋住，接著在眼睛所在的一側(cè)依次插兩枚大頭針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，如圖甲所示，其中O為兩圓弧圓心，圖中已畫出經(jīng)過P1、P2點(diǎn)的入射光線。創(chuàng)新考查角度和創(chuàng)新思維(1)在圖上補(bǔ)畫出所需的光路。(2)為了測出玻璃的折射率，需要測量入射角i和折射角r，請在圖中的AB分界面上畫出這兩個角。(3)用所測物理量計算折射率的表達(dá)式為n＝______。(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，畫出如圖乙所示的圖像，由圖像可知該玻璃的折射率n＝__________。2．[實驗器材、實驗數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新]某同學(xué)測量玻璃的折射率，

準(zhǔn)備了下列器材：激光筆、直尺、刻度尺、一面鍍有反射膜

的平行玻璃磚。如圖所示，直尺與玻璃磚平行放置，激光筆

發(fā)出的一束激光從直尺上O點(diǎn)射向玻璃磚表面，在直尺上觀察到A、B兩個光點(diǎn)，讀出OA間的距離為20.00cm，AB間的距離為6.00cm，測得圖中直尺到玻璃磚上表面距離為d1＝10.00cm，玻璃磚厚度d2＝4.00cm。此玻璃的折射率n＝________，光在玻璃中傳播速度v＝________m/s(光在真空中傳播速度c＝3.0×108m/s，結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)。答案：1.2

2.5×1081．在“測量玻璃的折射率”實驗時，(1)下列做法正確的是________。A．入射角越大，誤差越小B．在白紙上放好玻璃磚后，用鉛筆貼著玻璃磚的光學(xué)面畫出界面C．實驗時既可用量角器，也可用圓規(guī)和直尺等工具進(jìn)行測量D．判斷像與針是否在同一直線上時，應(yīng)該觀察大頭針的頭部(2)小明同學(xué)經(jīng)正確操作后，在紙上留下四枚大頭針的位置P1、P2、P3和P4，AB和CD是描出的玻璃磚的兩個邊界，如圖所示，請畫出光路圖。解析：(1)入射角盡量大些，折射角也會大些，折射現(xiàn)象較明顯，角度的相對誤差會較小，但要注意并不是入射角越大越好，應(yīng)適度，A錯誤。為了防止弄臟玻璃磚，不能用鉛筆貼著玻璃磚的光學(xué)面畫出界面，B錯誤。實驗時既可用量角器，也可用圓規(guī)和直尺等工具進(jìn)行測量，C正確。判斷像與針是否在同一直線上時，應(yīng)該觀察大頭針的整體，不能只觀察其頭部，D錯誤。(2)根據(jù)作出的點(diǎn)P1、P2、P3、P4作出入射光線和出射光線，連接AB和CD與光線的交點(diǎn)O、O′，OO′即為光在玻璃中的傳播路徑，如圖所示。答案：(1)C

(2)見解析圖2．現(xiàn)要估測一矩形玻璃磚的折射率n，給定的器材有：待測玻璃磚、

白紙、鉛筆、大頭針1枚、直尺、直角三角板。實驗時，先將直

尺的一端O和另一點(diǎn)M標(biāo)上兩個明顯的標(biāo)記，再將玻璃磚平放在

白紙上，沿其兩個長邊在白紙上畫出兩條直線AB、CD，再將直

尺正面緊貼玻璃磚的左邊緣放置，使O點(diǎn)與直線CD相交，并在白紙上記下點(diǎn)O、M的位置，如圖所示，然后在右上方通過AB所在界面向左下方觀察，調(diào)整視線方向，直到O點(diǎn)的像與M點(diǎn)的像重合，再在AB直線上插上大頭針，使大頭針擋住M、O的像，記下大頭針P點(diǎn)的位置。(1)請在原圖上作出光路圖；(2)計算玻璃磚的折射率的表達(dá)式為：n＝________(用字母P和圖中已知線段字母表示)。3．某研究小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)光學(xué)知識，設(shè)計了一個測液體折射

率的儀器。如圖，在一圓盤上過其圓心O作兩條互相垂直的直

徑BC、EF，在半徑OA上垂直盤面插下兩枚大頭針P1、P2，并

保持P1、P2位置不變；每次測量時讓圓盤的BFC部分豎直浸入

液體中，而且總使得液面與直徑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。同學(xué)們通過計算，預(yù)先在圓周EC部分刻好了折射率的值，這樣只要根據(jù)P3所插位置，就可直接讀出液體折射率的值。(1)若∠AOF＝30°，OP3與OC的夾角為30°，則P3處所對應(yīng)的折射率值為__________。(2)圖中P3、P4兩位置哪一處所對應(yīng)的折射率值大？__________。4．用“