第2节 科学测量：玻璃的折射率（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019 福建专版）

科学测量：玻璃的折射率 (实验课—基于经典科学探究) 第2节 1 1.实验准备——原理、器材和装置 2 2.实验操作——过程、细节和反思 3 3.实验考法——基础、变通和创新 4 4.训练评价——巩固、迁移和发展 CONTENTS 目录 1.实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 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。 2.实验操作——过程、细节和反思 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。 2．用两枚大头针在玻璃砖的另一侧确定出射光的方向。 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′。 1.利用“插针法”能否测定三棱镜(如图)的折射率呢？ 提示：可以。 2．为减小测量误差，选择玻璃砖时，宽度宜大些还是小些？为什么？ 提示：大些。因为玻璃砖宽度大些可以减小角度的测量误差。 3．为了减小测量误差，对入射角i有什么要求？ 提示：入射角i要适中，不要太小，否则折射角r也太小，用量角器测量角度时，相对误差较大。 关键点反思 3.实验考法——基础、变通和创新 考法(一)　实验基本操作 [例1]　在“测量玻璃的折射率”的实验中： (1)操作步骤如下： ①先在白纸上画出一条直线aa′代表两种介质的界面，过aa′上的O点画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线。 ②把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐。 ③在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2，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。再在观察的这一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，记下P3、P4的位置。 ④移去大头针和玻璃砖，连接P3、P4作为折射光线，测量出入射角θ1与折射角θ2，填入表格中。 上述操作步骤中存在严重的缺漏，应做的补充是_____________ ______________________________________________________。 (2)实验中测出了多组入射角θ1与折射角θ2，并作出了sin θ1-sin θ2的图像如图所示。则下列说法正确的是________。 A．实验时，光线是由空气射入玻璃 B．实验时，光线是由玻璃射入空气 C．玻璃的折射率为0.67 D．玻璃的折射率为1.5 [解析]　(1)本实验用插针法测量玻璃的折射率，实验原理是折射定律，操作步骤中存在严重的缺漏，应做的补充是：步骤②中，把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，应在白纸上画出玻璃砖的另一长边bb′，作为玻璃砖与空气的下边界；步骤④中，连接P3、P4作为出射光线，还应作出玻璃砖中的折射光线，故应通过P3、P4的连线与bb′的交点，作出玻璃砖中的折射光线。 [答案]　(1)步骤②中应在白纸上画出玻璃砖的另一长边bb′；步骤④中应通过P3、P4的连线与bb′的交点，作出玻璃砖中的折射光线　(2)BD [例2]　(2024·上杭高二检测)(1)某实验小组利用“插针法”测量玻璃的折射率的实验光路如图甲所示，实验所用玻璃砖的上表面AD与下表面BC不平行，出射光线O′G与入射光线PO________(选填“平行”或“不平行”)；对实验数据的处理可采用以入射点O为圆心，取某一单位长度为半径作圆，该圆与入射光线PO交于M点，与折射光线OO′的延长线交于E点，过M、E点分别向法线作垂线，其垂足分别为N、F，现测得MN＝1.66 cm，EF＝1.12 cm，则该玻璃砖的折射率n＝________(结果保留三位有效数字)。 考法(二)　数据处理和误差分析 (2)某同学在“利用插针法测量玻璃的折射率”的实验中，如图乙所示，在纸上画玻璃砖下界面bb′时，误将bb′向下画至图中虚线位置，而其他操作均正确，则该同学测得的玻璃砖折射率将______________ (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 [例3]　某同学测量玻璃的折射率，准备了 下列器材：激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有 反射膜的平行玻璃砖。如图所示，直尺与玻璃砖 平行放置，激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖表面，在直尺上观察到A、B两个光点，读出OA间的距离为20.00 cm，AB间的距离为6.00 cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离为d1＝10.00 cm，玻璃砖厚度d2＝4.00 cm。 考法(三)　源于经典实验的创新考查 此玻璃的折射率n＝________，光在玻璃中传播速度v＝________m/s(光在真空中传播速度c＝3.0×108 m/s，结果均保留两位有效数字)。 [创新分析] (1)利用一面镀有反射膜的平行玻璃砖替代两面平行的一般玻璃砖。 (2)利用玻璃砖对反射光点的侧移确定折射光路。　　 4.训练评价——巩固、迁移和发展 1．(2024·宁德高二检测)用三棱镜做测量玻璃的折射率实验，先在白纸上放好三棱镜，在三棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在三棱镜的另一侧观察，使P2的像挡住P1的像，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和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示。 (1)在图中画出所需的光路； (2)为了测出三棱镜的折射率，需要测量的物理量是__________、__________，并在图中标出它们； (3)计算三棱镜折射率的公式是n＝__________。 解析：(1)如图所示，过P1、P2作直线交AB于O， 过P3、P4作直线交AC于O′，连接OO′，OO′就是 光在三棱镜中的光路。 (2)为了测出折射率，需要测量入射角i、折射角r，它们位置如图所示。 2．用圆弧状玻璃砖做测量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依次插两枚大头针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，其中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i和折射角r，请在图中的AB分界面上画出这两个角。 (3)用所测物理量计算折射率的表达式为n＝_________________。 (4)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，画出如图乙所示的图像，由图像可知该玻璃的折射率n＝________。 3．(2024·河南平顶山期末)有一块边长为L的正方体 玻璃砖，两位同学配合起来可以用以下简便的方法测量 这块玻璃砖的折射率，具体做法是：水平桌面上铺上一 张白纸，用笔在白纸上画一个黑点P，把玻璃砖压在 白纸上，让P点位于玻璃砖下表面中心；用细绳拴住一个圆锥形重锤，让重锤的顶点Q位于P点的正上方，如图所示。 (1)甲、乙两同学分工合作，甲手持刻度尺，做好测量准备。乙同学从玻璃砖的上表面边缘O点看到P点后，保持眼睛位置不变(O、P、Q、眼睛在同一横截面)，手持细线提起重锤，然后观察Q点经O点反射后所成的像Q′，通过手的上下移动，使得Q′与P点的像P′看起来重合在一起。此时，乙告诉甲同学测量玻璃砖上表面到________(选填“Q点”或“眼睛”)之间的距离，用h表示。 解析：(1)光路图如图所示，只要测量出玻璃砖上表面到Q点的高度h，就可以求出光线折射角的正弦值，从而求出折射率，故填Q点。   4．(2024·广州高二检测)某同学在做“测定玻璃折射率”的实验时已经画好了部分图线，如图甲所示，并在入射光线AO上插上大头针P1、P2，现需在玻璃砖下表面折射出的光线上插上大头针P3和P4，便能确定光在玻璃砖中的折射光线。 (1)确定P3位置的方法正确的是___________。 A．透过玻璃砖观察，P3挡住P2的像 B．先插上P4大头针，在靠近玻璃砖一侧P3挡住P4的位置 C．透过玻璃砖观察，使P3挡住P1、P2的像 (2)经过多次测量作出sin θ1-sin θ2的图像如图乙(θ2为折射角)，玻璃砖的折射率为___________。(保留两位有效数字) (3)若该同学在确定P4位置时，被旁边同学碰了一下，不小心把P4位置画的偏左了一些，则测出来的折射率______________________。(选填“偏大”“偏小”或“不变”) (4)该同学突发其想用两块同样的玻璃直角棱镜ABC来做实验，两者的AC面是平行放置的，插针P1、P2的连线垂直于AB面，若操作无误，则在图丙中右边的插针应该是________。 A．P3P6　 B．P3P8　 　C．P5P6　　D．P7P8 (5)另一位学生为了避免笔尖触划玻璃砖的折射面，画出的aa′和bb′都比实际的折射面向外侧平移了一些(如图丁所示)，以后的操作都正确无误，并仍以aa′和bb′为折射面画出了光路图，这样测出的折射率将___________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 解析：(1)确定P3位置的方法正确的是：透过玻璃砖观察，使P3挡住P1、P2的像，故选C。 (4)光路图如图2所示。根据光路图可知，经过P1P2的光线经第1块玻璃砖的AC面向下偏折，然后射入右侧玻璃砖后水平射出，所以在题图丙中右边的插针应该是P5P6，故选C。 二、实验原理 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。 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．平均值法 算出不同入射角时的比值 ，最后求出在几次实验中所测 的平均值，即为玻璃砖的折射率。 2．图像法 以sin i值为横坐标、sin r值为纵坐标，建立直角坐标系，如图所示。描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线。求解图线斜率k，则k＝＝，故玻璃砖折射率n＝。 3．作图法 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＝，sin r＝，且CO＝DO，所以折射率 n＝＝。 (2)因入射角的正弦值小于折射角的正弦值，则光线是由玻璃射向空气，选项A错误，B正确； 图像斜率的倒数表示折射率，玻璃的折射率为n＝＝＝1.5，选项C错误，D正确。 [微点拨] 理解实验的两点关键 (1)“插针法”的目的是由入射点、入射光线寻找折射光线，画出光路图，确定入射角和折射角。 (2)计算介质的折射率时，首先要分清光是从真空(或空气)中射入介质，还是从介质中射入真空(或空气)。如[例1]中入射角θ1小于折射角θ2，可判断光是由玻璃射入空气，折射率n＝，所以sin θ1-sin θ2图像斜率的倒数为折射率。　　 [解析]　(1)因为上下表面不平行，光线在上表面的折射角与在下表面的入射角不相等，可知出射光线和入射光线不平行；设光线在AD面的入射角为θ1，折射角为θ2，根据折射定律可得n＝＝＝＝≈1.48。 (2)实际的光路如图中实线所示，实验作图时的光路如图中虚线所示由图可知，在玻璃砖上表面，入射角没有误差，测得的折射角偏大，根据折射定律n＝可知，测得的折射率偏小。 [答案]　(1)不平行　1.48　(2)偏小 [解析]　作出光路图如图所示，根据几何知识可得tan i＝＝1，tan r＝＝，可得sin i＝，sin r＝，故折射率n＝≈1.2。光在玻璃中的传播速度v＝＝2.5×108 m/s。 [答案]　1.2　2.5×108 (3)由折射定律有n＝。 答案：(1)见解析图　(2)入射角i　折射角r　见解析图　(3) 解析：(1)连接P3、P4与交于一点，此交点即为光线从玻璃砖中射出的位置，由于P1、P2的连线与的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接两交点即可作出玻璃砖中的光路，如图所示。 答案：(1)(2)见解析图　(3)　(4)1.5 (2)连接O点与光线在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)由折射定律可得n＝。 (4)图像的斜率k＝＝n，由题图乙可知斜率为1.5，即该玻璃的折射率为1.5。 (2)若测得h＝，玻璃砖的折射率为n＝_________________。 (2)根据如图所示光路图 sin θ＝ sin γ＝ 折射率n＝＝ 已知h＝，得n＝。 答案：(1)Q点　(2) (2)光路如图1所示，根据n＝，可知，sin θ1-sin θ2图像的斜率等于折射率，由题图乙可知玻璃砖的折射率为n＝≈1.5。 (3)若该同学在确定P4位置时，被旁边同学碰了一下，不小心把P4位置画的偏左了一些，则P4P3的连线与bb′的交点偏右，测得的折射角θ2偏大，则根据n＝可知，测出来的折射率偏小。 (5)光路图如图3所示，由图可知n＝，其中β变大，α不变，则n变小，即测量值偏小。 答案：(1)C　(2)1.5　(3)偏小　(4)C　(5)偏小 $$