第四章 第2节 实验：测定玻璃的折射率（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

第2节　实验：测定玻璃的折射率 掌握测定玻璃折射率的方法． 用“插针法”确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测入射角i和相应的折射角r，根据公式n＝计算出玻璃的折射率． 截面为矩形的玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板或直尺、铅笔． 1．将白纸用图钉固定在平整的桌面上． 2．如图所示，先在白纸上画出一条直线aa′，代表两种介质的分界面，再画一直线段AO代表入射光线，然后画出分界面上O点处的法线． 3．把矩形玻璃砖放在白纸上，使它的一条长边跟aa′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bb′代表玻璃砖的另一边． 4．在直线AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2，放回玻璃砖，然后透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向，直到P1的像被P2的像挡住．再在观察的这一侧先后竖直地插上两枚大头针P3、P4，用P3挡住P1、P2的像，再用P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置． 5．移去大头针和玻璃砖，过P3、P4的插点画直线O′B，与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线透过玻璃砖后的出射光线． 6．连接OO′，OO′就是折射光线在玻璃砖内的路径，则入射角i＝∠AON，折射角r＝∠O′ON′，用量角器量出入射角i和折射角r，从三角函数表中查出它们的正弦值． 7．用上述方法探究入射角分别为15°、30°、45°、60°、75°时的折射角，查出它们的正弦值． 方法一(平均值法)：计算出不同入射角时的值，求出各次实验中测得的平均值，以此作为玻璃的折射率． 方法二(图像法)：根据折射定律可得n＝，因此有sin r＝sin i．因此以sin i值为横坐标、以sin r值为纵坐标，建立直角坐标系如图甲所示，利用各次实验测得的数据描点连线，得到一条过原点的直线． 求解直线斜率(设斜率为k)，则k＝，故玻璃的折射率n＝. 方法三(无量角器时用)：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′的长度，如图乙所示． 由于sin i＝，sin r＝，而CO＝DO，所以折射率n＝＝. 重复实验，求得各次实验的折射率，其平均值即为玻璃砖折射率的测量值． 1．所作的入射光线和出射光线与实际光路存在误差．因此，为了减小这种误差，应选用宽度较大(5 cm以上)的玻璃砖，且实验中玻璃砖的位置不能发生变化；所插大头针P1与P2、P3与P4之间的距离应稍大一些，且大头针要竖直地插在白纸上． 2．入射角和折射角的测量存在误差．入射角不宜太大，否则通过玻璃砖后的折射光强度会较弱，不利于确定折射光路． 在“测量玻璃的折射率”实验中： (1)小明进行以下操作： A．摆好玻璃砖，确定玻璃砖的上下边界aa′、bb′； B．任意画出一条入射光线，在光路上插上大头针P1、P2； C．在确定P3、P4位置时，应使P3挡住P1、P2的像，P4挡住 ________________． (2)如图甲所示，过P3、P4作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′的直线NN′，连接OO′.用量角器测量图甲中角α和β的大小，则玻璃的折射率n＝________． (3)图乙为小薇同学实验时获得的大头针位置，请帮助她画出该实验完整的光路图． 解析　(1)运用“插针法”确定出射光线时，眼睛在玻璃砖的另一侧观察所插的两枚大头针P1和P2，通过插第三、第四枚大头针P3、P4来确定从玻璃砖射出的光线．确定大头针P3的位置时，应当使P3挡住P1、P2的像． (2)该实验的原理是光的折射定律，已知入射角与折射角，则折射率n＝. (3)连接P1和P2并延长交玻璃砖的上表面与O1点，连接P3和P4并延长交玻璃砖的下表面与O2点，连接O1和O2，则O1O2是光在玻璃内的折射光线，光路图如图所示． 答案　(1)P1、P2的像　(2)　(3)见解析图 [训练1]　在“测定玻璃的折射率”实验中，先在白纸上画一条直线aa′代表两种介质的分界面；画出一直线段AO代表入射光线，然后画出过O点处的法线MN；放好玻璃砖，aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面，在玻璃砖一侧的直线AO上竖直地插上两枚大头针P1和P2，然后在玻璃砖另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，使P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出大头针的位置和玻璃砖的边界，如图所示． (1)过________画直线与界面bb′相交于O′点，连接OO′即可得到玻璃砖内折射光线的路径，在图上完成光路图． (2)实验中需要测量的物