第四章 第2节 科学测量：玻璃的折射率-【高考领航】2023-2024学年高中物理选择性必修第一册同步核心辅导与测评（鲁科版）

第2节　科学测量：玻璃的折射率 核心素养要求 核心素养呈现 1.理解实验原理，体验实验过程，掌握实验操作要领. 2.通过数据处理过程，体会图像法的应用. 3.通过分析实验误差的来源，学会采用适当方法减小测量误差. 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． 四、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. 2．用两枚大头针在玻璃砖的另一侧确定出射光方向如图b. 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. 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． 测量玻璃折射率示意图 五、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＝，sin r＝，OE＝OE′＝R， 则n＝＝，只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n. 六、注意事项 1．实验时，尽可能将大头针垂直插在纸上，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． 七、实验误差 1．入射光线和出射光线画得不够精确．因此，要求插大头针时两大头针间距应稍大． 2．入射角、折射角测量不精确．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． 　实验原理与操作 　(1)几位同学做“用插针法测量玻璃折射率”实验，图示直线aa′、bb′表示在白纸上画出的玻璃砖的两个界面．几位同学进行了如下操作： A．甲同学选定的玻璃砖两个光学面aa′与bb′不平行，其他操作正确 B．乙同学在白纸上正确画出平行玻璃砖的两个界面aa′和bb′后，将玻璃砖向aa′方向平移了少许，其他操作正确 C．丙同学在白纸上画aa′、bb′两界面时，其间距比平行玻璃砖两光学面的间距稍微大些，其他操作正确 上述几位同学的操作，对玻璃折射率的测量结果没有影响的是________(填写选项前的字母)． (2)在用插针法测玻璃砖折射率的实验中，已确定好入射方向AO，插了两枚大头针P1和P2，如图所示(①②③是三条直线)．在以后的操作说法中你认为正确的是________． A．在bb′侧调整观察视线，另两枚大头针P3和P4可能插在③线上 B．保持O点不动，减小入射角，在bb′侧调整观察视线，另两枚大头针P3和P4可能插在①线上 解析：(1)甲同学选定的玻璃砖两个光学面aa′和bb′不平行，不会影响入射角和折射角的确定；乙同学将玻璃砖向aa′方向平移了少许，直线aa′、bb′之间的距离仍然等于玻璃砖的厚度，入射角和折射角的大小不变；丙同学在白纸上画aa′和bb′间距比平行玻璃砖两光学面的间距稍微大些，使画出的入射点向左移，出射点向右移，所画的折射角比实际值大，算得的折射率将偏小． (2)由折射定律得知，光线通过平行玻璃砖后向一侧发生侧移，由于光线在上表面折射时，折射角小于入射角，则出射光线向②一侧偏移，如图，故另两枚大头针P3和P4不可能插在③线上，故A错误；若保持O点不动，减小入射角，折射角也减小，另外两枚大头针P3和P4可能插在①线上，故B正确． 答案：(1)AB　(2)B