4.2科学测量：玻璃的折射率 课件-2024-2025学年高二上学期物理鲁科版（2019）选择性必修第一册

第四章 光的折射和全反射 第二节 科学测量：玻璃的折射率 1 新课导入 折射率是光学材料的重要指标。例如，在制作汽车挡风玻璃时，对折射率和形状都有十分严格的要求；在钻石鉴定过程中，尝尝根据折射率的大小判 断钻石的真伪。如何测量介质 的折射率？本届我们将学习用 简便的方法测量玻璃的折射率。 2 实验目的 （1）测量玻璃的折射率 （2）学习用插针法确定光路 实验器材 木板、图钉、白纸、玻璃砖、刻度尺、量角器、铅笔、大头针 3 实验原理 透过玻璃砖观察大头针 P1、P2 使P2 的像挡住 P1 的像 P3 挡住 P1、P2的像， P4 挡住 P3 和 P1、P2 的像 两点确定一条直线 光在均匀介质中沿直线传播 入射角 折射角 4 实验步骤 不能把玻璃砖界面当尺子画界线！ P1 P2 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 （1）把白纸固定在木板上，再将玻璃砖放在白纸上。用铅笔描出截面aaʹ 、bbʹ ， 利用两枚大头针确定入射光的方向，如图（a） 5 实验步骤 P1 P2 P3 P4 （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） 在实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变 6 实验步骤 （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NNʹ 。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。计算玻璃的折射率。 （5）重复以上实验步骤多次，最后求出玻璃折射率的平均值 7 科学测量：玻璃的折射率 8 注意事项 ①玻璃砖应选用厚度、宽度较大的 ②大头针要插得竖直，且间隔要大些 ③入射角不宜过大或过小，一般在15°~75°之间 ④玻璃砖的折射面要画准，不能用玻璃砖界面代替刻度尺划线 ⑤实验过程中，玻璃砖和白纸的相对位置不能改变 9 误差分析 ①用插针法测玻璃的折射率，误差的主要来源是对角度的描绘与测量，因此要求插大头针时两大头针间距应较大，测角度时，应使入射角稍大些，但不宜过大. ②每次实验时，将折射角和入射角一一对应，进行编号，以免相混.在用图像法处理实验数据时，应保证所画的点尽量在同一直线上，若某点偏离直线较远，说明此数据有误. 用激光笔做实验： 光路模糊，误差较大 10 讨论 如果实验中采用的不是两面平行的玻璃砖，而是用三棱镜或半圆形玻璃砖，能否测出相应的折射率？ 只要能把入射光线在玻璃中的折射光线确定下来，就能测定玻璃的折射率，所以玻璃砖形状对结果没有影响 11 新课讲解 b bʹ 折射率n测量偏小 a aʹ P1 P2 P3 P4 i r1 r2 r1为真实的折射角 r2为测得的折射角 r2>r1 12 新课讲解 b bʹ a aʹ P1 P2 P3 P4 i r2 r1 折射率n测量偏大 r1为真实的折射角 r2为测得的折射角 r1>r2 13 当堂检测 1.如图所示，用插针法测定矩形玻璃砖折射率的实验中，A、B和C、D是插针，下列说法正确的是( ) A.插针A、B及C、D之间的距离尽量小一些，可以减小误差 B.实验中要保证四枚大头针在同一直线上 C.若作出的界面a与界面aʹ的间距比玻璃两表面的实际间距大，则测量结果将偏小 D.为了防止在界面aʹ发生全反射，入射角θ1应尽量小些 C 14 解析：折射光线是通过隔着玻璃砖观察成一条直线确定的，大头针间的距离太小，引起的角度的变化会较大，故A、B及C、D之间的距离适当大些，可以提高准确度，选项A错误；实验中要保证另一侧两针的像与观察者一侧两针在同一直线上，选项B错误；若作出的界面a与界面aʹ的间距比玻璃两表面的实际间距大，则光线偏折角度偏大，折射率测量结果将偏小，选项C正确；由几何关系知，出射线CD和入射线AB平行，根据光路的可逆性可知，光线在界面aʹ不可能发生全反射，为了减少测量的相对误差，入射角θ1应尽量大些，选项D错误. 15 2.某同学设计了一种测量液体折射率的方案。容器过中心轴线的剖面图如图所示，其宽度为16cm，让单色光在此剖面内从空气入射到液体表面的中心。调整入射角，当反射光与折射光垂直时，测出竖直器壁上的反射光点与液体表面的距离h，就能得到液体的折射率n。忽略气壁厚度，由该方案可知( ) A.若 ，则 B.若 ，则 C.若 ，则 D.若 ，则 B 16 解析：根据几何关系画出光路图，如图所示 标注入射角θ1，折射角θ2， 根据折射定律可得 A.若h = 4 cm，则n = 2，故A错误； B.若h = 6 cm，则 ，故B正确； C.若 ，则 ，故C错误； D.若 ，则 ，故D错误。故选B。 17 3.如图所示，在做“测量玻璃的折射率”实验时，先在白纸上放好一块两面平行的玻璃砖，描出玻璃砖的两个边MN和PQ，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在另一侧透过玻璃砖观察，再插上大头针P3、P4，然后作出光路图，根据光路图计算得出玻璃的折射率。关于此实验，下列说法中正确的是( ) A.大头针P4必须挡住P3及P1、P2的像 B.入射角越大，折射率的测量越准确 C.利用量角器量出i1、i2，可求出玻璃砖的折射率 D.如果误将玻璃砖的边PQ画到PʹQʹ，折射率的测量值将偏大 A 18 解析：A.确定P4大头针的位置的方法是大头针P4能挡住P3和P1、P2的像，故A正确； B.入射角适当大一些，能使折射率的测量准确，但不是越大越好，故B错误； C.利用量角器量出i1、i2，可求出玻璃砖的折射率 故C错误； D.如果误将玻璃砖的边PQ画到PʹQʹ，则折射角i2，将偏大，折射率的测量值将偏小，故D错误。 19 4.某同学用插针法测定玻璃的折射率。如图所示，他用两折射面平行的玻璃砖进行实验。 （1）为了提高准确度，P1与P2及P3与P4之间的距离应适当_____（填“大些”或“小些”）。 （2）若入射角θ1太大，则折射光线_____（填“会”或“不会”）在平行玻璃砖的下表面发生全反射。 大些 不会 20 解析：（1）为了提高准确度，P1与P2及P3与P4之间的距离应适当大些。 （2）根据光路可逆原理，折射光不会在平行玻璃砖的下表面发生全反射。 21 5.某同学用半圆形玻璃砖测定玻璃的折射率（如图甲中实线所示）。在固定好的白纸上作出直角坐标系xOy，实验时将半圆形玻璃砖M放在白纸上，使其底边aaʹ与Ox轴重合，且圆心恰好位于O点，实验正确操作后，移去玻璃砖，作OP3连线，用圆规以O点为圆心画一个圆（如图中虚线所示），此圆与AO线交点为B，与OP3连线的交点为C，测出B点到x、y轴的距离分别为l1、d1，C点到x、y轴的距离分别为l2、d2。 （1）根据测出的B、C两点到两坐标轴的距离， 可知此玻璃折射率测量值的表达式n=__； （2）该同学又用平行玻璃砖做实验如图乙所示。他在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aaʹ和bbʹ后，不小心碰了玻璃砖使它向aaʹ方向平移了少许，如图所示。则他测出的折射率将_______（填“偏大”“偏小”或“不变”）。 不变 22 解析：（1）设光线在x轴上的入射角为i，折射角为r，玻璃砖的半径为R，根据数学知识得 则此玻璃折射率测量值的表达式为 （2）如图所示 红线表示将玻璃砖向上平移后实际的光路图，而黑线是作图时所采用的光路图，通过比较发现。入射角和折射角没有变化，由折射率的定义式 测得的折射率将不变。 23 谢谢 24 $$