【同步學練】高中物理人教版(2019)選擇性必修1：第4章1.第2課時實驗：測定玻璃的折射率學案(教師版)

第2課時實驗：測定玻璃的折射率1．知道測量玻璃的折射率的原理、方法和步驟。2．會確定入射光線、折射光線、入射角及折射角。3．學會用不同方法計算玻璃的折射率。類型一實驗原理與操作【典例1】如圖甲所示，某同學在“測量玻璃的折射率”的實驗中，先將白紙平鋪在木板上并用圖釘固定，玻璃磚平放在白紙上，然后在白紙上確定玻璃磚的界面aa′和bb′。O為直線AO與aa′的交點。在直線OA上豎直地插上P1、P2兩枚大頭針。(1)該同學接下來要完成的必要步驟有________。A．插上大頭針P3，使P3僅擋住P2的像B．插上大頭針P3，使P3擋住P1的像和P2的像C．插上大頭針P4，使P4僅擋住P3D．插上大頭針P4，使P4擋住P3和P1、P2的像(2)過P3、P4作直線交bb′于O′，過O′作垂直于bb′的直線NN′，連接OO′。測量圖中角α和β的大小，則玻璃磚的折射率n＝________。(3)如圖乙所示，該同學在實驗中將玻璃磚界面aa′和bb′的間距畫得過寬。若其他操作正確，則折射率的測量值________(選填“大于”“小于”或“等于”)準確值。[解析](1)該同學接下來要完成的必要步驟有：確定P3大頭針的位置，方法是插上大頭針P3，使P3能擋住P1、P2的像。確定P4大頭針的位置，方法是大頭針P4能擋住P3和P1、P2的像。故該同學接下來要完成的必要步驟有B、D。(2)根據(jù)折射定律得：玻璃磚的折射率為n＝sinβ(3)將玻璃磚界面aa′和bb′的間距畫得過寬但仍平行，而其他操作正確，導致α角偏大，由于n＝sinβ[答案](1)BD(2)sinβ類型二數(shù)據(jù)處理與分析【典例2】如圖所示，某同學用插針法測量一半圓形玻璃磚的折射率。在平鋪的白紙上垂直于紙面插大頭針P1、P2確定入射光線，并讓入射光線過圓心O，在玻璃磚(圖中實線部分)另一側垂直紙面插大頭針P3，使P3擋住P1、P2的像，連接OP3，圖中MN為分界面，虛線半圓與玻璃磚對稱，B、C分別是入射光線、折射光線與圓的交點，AB、CD均垂直于法線并分別交法線于A、D點。(1)設AB的長度為l1，AO的長度為l2，CD的長度為l3，DO的長度為l4，為較方便地表示出玻璃磚的折射率，需用刻度尺測量____________，則玻璃磚的折射率可表示為________。(2)該同學在插大頭針P3前不小心將玻璃磚以O為圓心順時針轉過一小角度，由此測得玻璃磚的折射率將________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。[解析](1)sini＝l1BO，sinr＝l3CO，因此玻璃的折射率n＝sinisinr(2)當玻璃磚順時針轉過一個小角度時，在處理數(shù)據(jù)時，認為l1是不變的，即入射角不變，而l3減小，所以測量值n＝l1[答案](1)l1和l3n＝l1類型三創(chuàng)新實驗設計【典例3】某同學設計了一個測量液體折射率的儀器，如圖所示。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部分豎直浸入液體中，而且使液面與直徑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的像。同學們通過計算，預先在圓周EC部分刻好了折射率的值。這樣只要根據(jù)P3所插的位置，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處所對應的折射率的值為________。(2)圖中P3、P4兩位置哪一處所對應的折射率值大？________。(3)作AO的延長線交圓周于K，K處所對應的折射率的值應為________。[解析](1)此時OP3與OE之間的夾角為入射角，θ1＝60°，θ2＝30°，則n＝sinθ(2)P4對應的入射角大，折射角相同，所以對應的折射率大。(3)當在K位置時，入射角與折射角相等，所以折射率等于1。[答案](1)3(2)P4(3)11．(2022·天津薊州高二期末)在測量玻璃的折射率實驗中：(1)圖甲所示為實驗使用的長方體玻璃磚，實驗時不能用手直接接觸玻璃磚的________(選填“磨砂面”或“光學面”)。(2)一實驗小組按實驗要求繪出的長方體玻璃磚界面和四個針孔a、b、c、d的位置如圖乙所示，圖中的ab表示入射光線，θ1為入射角，請描出折射光線的徑跡并標出對應的折射角θ2。[解析](1)玻璃磚的光學面不能用手直接接觸，否則，接觸面的污漬會影響接觸面的平整，進而影響折射率的測定。(2)連接dc并延長至玻璃磚的下光學面與白紙的交線，交點為出射點，入射點與出射點的連線即為折射光線，折射角θ2如圖所示。[答案](1)光學面(2)見解析圖2．在“測定玻璃的折射率”的實驗中：(1)小朱同學在實驗桌上看到方木板上有一張白紙，白紙上有如圖甲所示的實驗器材，他認為除了缺刻度尺還少了一種器材，請你寫出所缺器材的名稱：________。老師將器材配齊后，他進行實驗，圖乙是他在操作過程中的一個狀態(tài)，請你指出第四枚大頭針應在圖乙中的位置________(選填“A”“B”或“C”)。(2)小朱利用方格坐標紙測定玻璃的折射率，如圖丙所示，AO是畫在紙上的直線，他在直線AO適當位置豎直插上P1、P2兩枚大頭針，放上半圓形玻璃磚，使其圓心與O重合，然后插上P3、P4兩枚大頭針，以確定折射光線。其中他確定P3大頭針位置的方法應當是________。操作完成后，他用圓規(guī)作了一個以O為圓心、半徑與玻璃磚半徑相同的半圓(如圖丙中虛線所示)，則他測出玻璃磚的折射率n＝________。[解析](1)還缺少大頭針；依據(jù)光的折射定律，及玻璃磚上下表面平行，那么出射光線與入射光線相互平行，因此第四枚大頭針應在圖乙中的位置B處，如圖所示。(2)透過玻璃磚看，P3大頭針擋住P1、P2兩枚大頭針的像；如圖所示，作出法線，過圓與入射光線與折射光線的交點作法線的垂線CA和DB，由數(shù)學知識得：入射角和折射角的正弦值分別為：sini＝CACO，sinr＝其中CO＝DO，則折射率n＝sinr[答案](1)大頭針B(2)擋住P1、P2的像1.53．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M標上明顯的標記，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點與直線CD相交，并在白紙上記下點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，調整視線方向，直到O點的像與M點的像重合，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式為：n＝________(用字母P和圖中已知線段字母表示)。[解析](1)調整視線方向，當O點的像和M點的像重合時，從O點發(fā)出的光線經(jīng)玻璃磚折射后與從M點發(fā)出的光線經(jīng)AB面反射后重合。在觀察的一側插上大頭針，使大頭針擋住M、O的像，則大頭針的位置為折射光線射出玻璃磚的點和從M點發(fā)出的光線在AB面上的反射點，如圖所示。(2)折射率n＝sinθ[答案](1)見解析圖(2)OP4．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，在玻璃磚的一側豎直插上兩枚大頭針P1、P2，然后在玻璃磚的另一側觀察，調整視線使P1的像被P2的像擋住，接著在眼睛所在的一側插兩枚大頭針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為兩圓弧所在圓的圓心，圖中已畫出經(jīng)過P1、P2點的入射光線。(1)在圖上補畫出完整的光路。(2)為了測出玻璃磚的折射率，需要測量入射角i和折射角r，請在圖中的AB分界面兩側畫出這兩個角。(3)多次改變入射角，測得幾組入射角和折射角，根據(jù)測得的入射角i和折射角r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＝_______