4.2 科学测量：玻璃的折射率（word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（鲁科版）

第2节　科学测量：玻璃的折射率 授课提示：对应学生用书第68页 一、实验目的 1．测量玻璃的折射率。 2．学习用插针法确定光路。 二、实验器材 木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、刻度尺、量角器、铅笔。 三、实验原理与设计 当光从空气射入玻璃时，根据折射定律＝n，测出入射角i和折射角r，就可计算出玻璃的折射率。 如图所示，透过玻璃砖观察大头针P1、P2，调整视线方向，直到P2的像挡住P1的像。再在观察者同一侧依次插入大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像。这样，P1、P2以及P3、P4的连线分别代表入射光和经玻璃砖折射后射出的光，由此便可画出光路图并测出入射角和折射角。 授课提示：对应学生用书第68页 一、实验步骤 1．把白纸固定在木板上，再将玻璃砖放在白纸上。用铅笔描出界面aa′、bb′，利用两枚大头针确定入射光的方向，如图(a)所示。 2．用两枚大头针在玻璃砖的另一侧确定出射光的方向，如图(b)所示。 3．取走玻璃砖，根据入射光和出射光的方向确定入射点O和出射点E，连接OE即为玻璃砖内部的折射光。画出过入射点O的法线NN′，如图(c)所示。 4．根据画出的光路图测量入射角i、折射角r，填入设计的表格中。计算玻璃的折射率n＝。 5．重复以上实验步骤多次，最后求出玻璃折射率的平均值。 二、数据处理 1．计算法：通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，得出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝中求多次不同入射角时n的值，然后取其平均值，即为玻璃砖的折射率。 2．图像法：求出多组对应的入射角与折射角的正弦值，作出sin i­sin r图像，由n＝可知图像应为直线，如图所示，其斜率为折射率。 3．单位圆法：在不使用量角器的情况下，可以用画单位圆法。 (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E′H′，如图所示。 (2)由图中关系sin i＝，则只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。＝，OE＝OE′＝R，得n＝，sin r＝ 三、注意事项 1．实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。 2．入射角i应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大。 3．在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面，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．玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm以上。若宽度太小，则测量误差较大。 四、实验误差 1．入射光线和出射光线画得不够准确。因此，要求插大头针时两大头针间距应稍大。 2．入射角、折射角测量不准确。为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱。 授课提示：对应学生用书第69页 类型一　实验原理与操作 　用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率，O为玻璃砖截面的圆心，入射光线跟玻璃砖的平面垂直，如图所示的四个图中P1、P2、P3和P4是四个学生实验插针的结果。 (1)在这四个图中肯定把针插错了的是________。 (2)在这四个图中可以比较准确地测出折射率的是________。 [解析]　(1)垂直射入半圆柱玻璃砖平面的光线，经玻璃砖折射后，折射光线不能与入射光线平行(除过圆心的光线)，A错。 (2)测量较准确的是D图，因B图的入射光线经过圆心，出射光线没有发生折射，C图的入射光线离圆心太近，射到圆界面上时，入射角太小不易测量，会产生较大的误差。 [答案]　(1)A　(2)D 类型二　实验数据处理及分析 　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，如图所示。 (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＝________。 [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)在所画的图上画出入射光线P1P2的法线，并注明入射角i和折射角r，用量角器量出i和r(或在P1P2及OO′的延长线上分别任取一点E、G，过E、G两点分别向P1P2的法线作垂线，垂足分别为F、H，用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度)。