第2节 测定介质的折射率（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

(4)在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像。再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，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所在处作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向，连接OO′，线段OO′代表了光线在玻璃砖内的传播路径。 3．数据处理 方式一：平均值法 实验数据记录表 二、他版教材实验多融通 (一)鲁科版教材实验方案　 [差异解读] (1)用水代替玻璃。 (2)用激光发出的光代替插针法对光线的确定。 [典例]　在“测量玻璃的折射率”实验中： (1)为了取得较好的实验效果，下列说法正确的是________。 A．必须选用上下表面平行的玻璃砖 B．选择的入射角应尽量小些 C．大头针应垂直地插在纸面上 D．大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些 (2)A同学在画界面时，不小心将两界面aa′和bb′间距画得比玻璃砖宽度大些，如图甲所示，则他测得的折射率________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 实验原理与操作 (3)B同学在量入射角和折射角时，由于没有量角器，在完成了光路图以后，以O点为圆心，OA为半径画圆，并延长OO′交圆于C点，过A点和C点作垂直于法线的直线分别交于B点和D点，如图乙所示，则他只需要测量______________，就可求出玻璃的折射率n＝________(用所测量的物理量表示)。 [解析]　(1)插针法测量折射率时，玻璃砖上下表面不一定要平行，故A错误；为了减小测量的相对误差，选择的入射角应尽量大些，效果会更好，故B错误；为了准确确定入射光线和折射光线，大头针应垂直地插在纸面上，故C正确；大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些时，相同的距离误差，引起的角度误差会减小，效果会好些，故D正确。 (2)如图，实线是真实的光路图，虚线是玻璃砖宽度画大后的光 路图，由图看出，在这种情况测得的入射角不受影响，但测得的折 射角比真实的折射角偏大，因此测得的折射率偏小。 (1)选择玻璃砖时宽度宜大些，这样可以减小确定光路方向时出现的误差，提高测量的准确度。 (2)实验中一旦玻璃砖所定的界面线aa′、bb′画好后，放置的玻璃砖就不要随便移动，如果玻璃砖斜向移动，测得的折射率一定变化。如果稍微上下平移了玻璃砖，对测量结果没有影响。　　 [典例]　在“测量玻璃的折射率”实验中，某同学正确操作插好了4枚大头针，如图甲所示。 (1)在图丙中画出完整的光路图。 数据处理和误差分析 (2)对画出的光路图进行测量和计算，求得该玻璃砖的折射率n＝________(保留三位有效数字)。 (3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象，某同学做了两次实验，经正确操作插好了8枚大头针，如图乙所示。图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针，其对应出射光线上的2枚大头针是P3和________(填“A”或“B”)。 [答案]　(1)见解析图(a)　(2)1.53(1.50～1.56均可)　(3)A (1)利用题目提供的方格纸可计算三角函数的正弦值，进而根据折射率计算公式计算折射率。 (2)对于质地均匀的玻璃砖而言，如果光线的入射边界和出射边界平行，那么入射光线和出射光线平行。　　 1．[实验器材的创新]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。 创新考查角度和创新思维 (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＝__________。 2．[实验原理的创新]某同学测量玻璃砖的折射率，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d1＝10.00 cm，玻璃砖厚度d2＝4.00 cm。玻璃的折射率n＝________，光在玻璃中的传播速度v＝________m/s。(光在真空中传播速度c＝3.0×108 m/s，结果保留两位有效数字) 答案：1.2　2.5×108 m/s 1．在“测定介质的折射率”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 答案：(1)见解析　(2)BD 2．在做测定玻璃折射率n的实验时： (1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面ab和cd后，不慎碰了玻璃砖使它向ab方向平移了一些，如图(甲)所示，其后的操作都正确。但画光路图时，将入射点和折射点确定在ab和cd上，则测出的n值________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 (2)乙同学为了避免笔尖接触玻璃面，画出的a′b′和c′d′都比实际界面向外侧平移了一些，如图(乙)所示，以后的操作均正确，画光路图时将入射点和折射点都确定在a′b′和c′d′上，则所测出的n值________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 (3)丙同学在操作和作图时均无失误，但所用玻璃砖的两个界面明显不平行，这时测出的n值将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 (2)乙同学画出的a′b′和c′d′都比实际界面向外侧平移了一些，但在画光路图时，将入射点、出射点分别确定在a′b′、c′d′上，如图(b)，实线表示实际的光路图，虚线表示乙同学画图时的光路图，入射角测量没有误差，而折射角偏大，得知测出的折射率n将偏小。 (3)丙同学所用玻璃砖的两个界面明显不平行，在操作时和作图时均无失误，入射角与折射角的测量没有误差，故测出的n值不变。 答案：(1)不变　(2)偏小　(3)不变 3． 如图所示，某同学利用方格坐标纸测定半圆形玻璃砖的折射率， OA是画在纸上的直线，他在直线OA的适当位置先后竖直插上P1、 P2两枚大头针，如图所示放上玻璃砖(如粗黑线所示)，然后插上 P3、P4大头针。 (1)其中他确定P3大头针位置的方法应是____________________________。 (2)该同学用圆规做了一个以O为圆心，半径与玻璃砖相同的半圆(如图中虚线所示)，由图像可求得该玻璃砖的折射率为__________。 解析：(1)透过玻璃砖看，使P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像，就可以确定P3在折射光线上。 4． 现要估测一矩形玻璃砖的折射率n，给定的器材有：待测玻璃 砖、白纸、铅笔、大头针1枚、直尺、直角三角板。实验时， 先将直尺的一端O和另一点M标上两个明显的标记，再将玻璃砖 平放在白纸上，沿其两个长边在白纸上画出两条直线AB、CD， 再将直尺正面紧贴玻璃砖的左边缘放置，使O点与直线CD相交，并在白纸上记下点O、M的位置，如图所示，然后在右上方通过AB所在界面向左下方观察，调整视线方向，直到O点的像与M点的像重合，再在AB直线上插上大头针，使大头针挡住M、O的像，记下大头针P点的位置。 (1)请在原图上作出光路图； (2)计算玻璃砖的折射率的表达式为：n＝________(用字母P和图中已知线段字母表示)。 第二节　测定介质的折射率 一、本版教材实验理清楚 实验目的 (1)测量玻璃的折射率。 (2)掌握测量玻璃的折射率的方法。 实验原理 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和折射角γ，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝。 实验过程 1．实验器材 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。 2．实验步骤 (1)将白纸用图钉钉在平木板上。 (2)如图所示，在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线)，过aa′上的一点O画出界面的法线NN′，并画一条线段AO作为入射光线。 (3)把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′。 测量数据组 入射角i 折射角γ sin i sin γ n＝ n＝(n1＋n2＋n3＋n4＋n5) 1 2 3 4 5 方式二：图像法 根据折射定律n＝，得sin i＝nsin γ 在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以sin γ值为横坐标、以sin i值为纵坐标，建立直角坐标系如图所示，描数据点，过数据点连线得到一条过坐标原点的直线。 求解图线斜率，设斜率为k，则k＝n，故玻璃砖折射率n＝k。 方式三：在找到入射光线和折射光线之后，PQ为法线，MN、EF均垂直于法线PQ于交点N和点E，取OM＝OF，则n＝。 (二)人教版教材实验方案　 [差异解读] (1)与粤教版实验原理和实验方案完全相同。 (2)折射率公式n＝不同于粤教版的n＝。 (3)根据折射定律得，n＝＝＝，可知需要测量AB、CD的长度，折射率n＝。 [答案]　(1)CD　(2)偏小　(3)AB、CD的长度　 [解析]　(1)光路图如图(a)所示。 (2)设方格纸上小正方形的边长为1，光线的入射角为i，折射角为r，则折射率n＝，sin i与sin r可利用图中的方格进行粗略的计算，sin i＝≈0.798，sin r＝≈0.521，则n＝＝≈1.53。 (3)光路图如图(b)所示，光线经两边相互平行的玻璃砖，出射光线平行于入射光线，即MN∥P4B。P1P2光线从玻璃砖右边侧面射出向底边偏折，如图(b)中P3A，所以填A。 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。 (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。 答案：(1)(2)见解析图　(3)　(4)1.5 解析：作出光路图如图所示， 根据几何知识可得tan i＝＝1，tan r＝＝ ，解得入射角i＝45°，折射角r＝37°，故折射率n＝≈1.2。光在玻璃介质中的传播速度v＝＝2.5×108 m/s。 解析：(1)本实验用插针法测量玻璃砖的折射率，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。 (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。 解析：用插针法“测定玻璃砖折射率”的实验原理是利用折射率的定义式n＝。 (1)如图(a)所示，实线表示玻璃砖向上平移后实际的光路图，虚线表示画图时光路图，由图看出，画图时的入射角、折射角与实际的入射角、折射角相等，可知测出的折射率没有变化，即测出的n值不变。 (2)如图所示，过O点作出法线，过B点作出法线的垂线BC，过E点作出法线的垂线ED。光从玻璃射入空气的入射角为θ1＝∠BOC，折射角为θ2＝∠DOE，根据光线可逆性和折射定律可得玻璃的折射率为n＝，设半圆玻璃砖的半径为R，由几何知识可得sin θ1＝，sin θ2＝，从图中可以看出＝，联立解得n＝1.5。 答案：(1)透过玻璃砖看，使P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像　(2)1.5 解析：(1)调整视线方向，当O点的像和M点的像重合时，从O点发出的光线经玻璃砖折射后与从M点发出的光线经AB面反射后重合。在观察的一侧插上大头针，使大头针挡住M、O的像，则大头针的位置为折射光线射出玻璃砖的点和从M点发出的光线在AB面上的反射点，如图所示。 (2)折射率n＝＝＝。 答案：(1)见解析图　(2) $$