4.2 实验：测定玻璃的折射率（wrord教参）-【优化探究】2021-2022学年新教材高中物理选择性必修第一册（教科版）

2　实验：测定玻璃的折射率 一、实验目的 测定玻璃的折射率。 二、实验原理 用插针法确定光路，找出与入射光线相对应的玻璃中的折射光线，用量角器测出入射角i和折射角r，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝。 三、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。 一、实验步骤 1．先在白纸上画一条直线EE′，代表两种介质的分界面；再画出一直线段AB代表入射光线；然后画出分界面上B点处的法线NN′，如图所示。 2．把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边与EE′对齐。用直尺或三角板轻靠在玻璃砖的另一长边，按住直尺或三角板不动，将玻璃砖取下，画出直线FF′代表玻璃砖的另一边。 3．在直线AB上竖直地插上两枚大头针G1、G2，放回玻璃砖，然后透过玻璃砖观察大头针G1、G2的像，调整视线方向，直到G1的像被G2挡住。 4．再在观察的这一侧竖直地插上两枚大头针G3、G4，用G3挡住G1和G2的像，用G4挡住G3以及G1、G2的像。 5．移去大头针和玻璃砖，过G3、G4的插点画直线CD，与FF′相交于C点，直线CD就表示沿直线AB入射的光线透过玻璃砖后的光线。连接BC，BC就是玻璃砖内折射光线的路径。 6．用量角器测出入射角i和折射角r，从三角函数表中查出它们的正弦值。 7．通过上面的步骤分别测出入射角为15°、30°、45°、60°、75°时的折射角，并查出它们相应的正弦值。 二、数据处理及误差分析 此实验是通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝中求玻璃的折射率。除运用此方法之外，还有以下处理数据的方法。 处理方法一 在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OO′(或OO′的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长。如图所示。 由于sin i＝。＝，而CO＝DO，所以折射率：n1＝，sin r＝ 重复以上实验，求得各次折射率计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值。 处理方法二 根据折射定律可得n＝sin i。根据所量得的角度的正弦值作出sin r－sin i图像，如图所示，则图线的斜率的倒数即为折射率。这样也可以减小误差。，因此有sin r＝ 三、注意事项 1．实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，同侧两针之间的距离要稍大些。 2．入射角应适当大些，以减小测量角度的误差，但也不宜太大，入射角太大，在玻璃砖的另一侧会看不清大头针的像。 3．操作时不要用手触摸玻璃砖的光滑光学面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。 4．在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。 5．玻璃砖应选择宽度较大的，一般要求在5 cm以上，若宽度太小，则测量误差较大。 6．入射点应尽量靠近玻璃砖上界面的左侧，使之在玻璃砖的另一侧能够找到对应的出射光线。 题型一　实验原理及数据处理 [典例1]　用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，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和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓如图甲所示(O为两圆弧圆心，图中已画出经过P1、P2点的入射光线)。 (1)在图上补画出所需的光路； (2)为了测出玻璃的折射率，需要测量入射角和折射角，请在图中的AB分界面上画出这两个角； (3)多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出了如图乙所示的图像，由图像可知该玻璃的折射率n＝________。 　　 [解析]　(1)连接P3、P4与CD交于一点，此交点即为光线从玻璃砖中射出的位置，又由于P1、P2的连线与AB的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接两点即可作出玻璃砖中的光线，如图所示。 (2)连接O点与光线在AB上的入射点即为法线，作出入射角和折射角如图中i、r所示。 (3)图像的斜率k＝＝n，由题意乙可知斜率为1.5，即玻璃的折射率为1.5。 [答案]　(1)图见解析　(2)图见解析　(3)1.5 [典例2]　某同学由于没有量角器，在完成了光路图以后，以O点为圆心，10.00 cm长为半径画圆，分别交线段OA于A点，交O和O′连线延长线于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，如图所示，用刻度尺量得OB＝8.00 cm，CD＝4.00 cm，由此可得出玻璃的折射率n＝________。 [解析]　sin θ1＝＝1.5。＝，因为AO＝OC，所以n＝·＝，而n＝，sin θ2＝ [答