第4章 光的折射和全反射 第2节 科学测量：玻璃的折射率(课件PPT)-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第一册（鲁科版）

科学测量：玻璃的折射率(实验课——基于经典科学探究) 第 2 节 实验准备——原理、器材和装置 实验操作——过程、细节和反思 01 02 CONTENTS 目录 实验考法——基础、变通和创新 训练评价——巩固、迁移和发展 03 04 实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 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。 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。 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'。 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==。 1.利用“插针法”能否测定三棱镜(如图)的折射率呢? 关键点反思 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。 实验考法——基础、变通和创新 [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。 考法(一)　实验基本操作 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_________________________________________________________________________________________________________。  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 [解析]　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。 (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 BD [解析]　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] (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。 [例2]　(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 不平行 1.48 [解析]　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)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”)。  偏小 [解析]　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。 [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)。  1.2 2.5×108 [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。 [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。 训练评价——巩固、迁移和发展 1.(2024·浙江6月选考)如图所示，用“插针法”测量 一等腰三角形玻璃砖(侧面分别记为A和B、顶角大小为θ) 的折射率。 （1）在白纸上画一条直线ab，并画出其垂线cd，交于O点； （2）将侧面A沿ab放置，并确定侧面B的位置ef； （3）在cd上竖直插上大头针P1和P2，从侧面B透过玻璃砖观察P1和P2，插上大头针P3，要求P3能挡住________ (选填“P1”“P2”或“P1和P2”)的虚像；  P1和P2 解析：要求P1和P2在同一条光线上，该光线透过玻璃砖后过P3，故P3要能挡住P1和P2的虚像； （4）确定出射光线的位置________(选填“需要”或“不需要”)第四枚大头针；  不需要 解析：cd与ab垂直，则过P1和P2的光线与ab垂直，光垂直入射时传播方向不变，可确定ef边上的入射点，此时只需要找到出射光线上的一点即可确定出射光线，不需要插第四枚大头针； （5）撤去玻璃砖和大头针，测得出射光线与直线ef的夹角为α，则玻璃砖折射率n=_______。  解析：根据几何关系可知，入射角为θ，折射角为-α， 故n==。 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。 解析：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)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。 解析：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)用所测物理量计算折射率的表达式为n=______。  解析：由折射定律可得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=____。  解析：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。 1.5 3.(2024·安徽高考)某实验小组做“测量玻璃的折射率”及拓展探究实验。 (1)为测量玻璃的折射率，按如图甲所示进行实验，以下表述正确的一项是___。(填正确答案标号)  B A.用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和a' B.在玻璃砖一侧插上大头针P1、P2，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使P2把P1挡住，这样就可以确定入射光线和入射点O1。在眼睛这一侧，插上大头针P3，使它把P1、P2都挡住，再插上大头针P4，使它把P1、P2、P3都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点O2 C.实验时入射角θ1应尽量小一些，以减小实验误差 解析：在白纸上画出一条直线a作为界面，把玻璃砖放在白纸上，使它的一条长边与a对齐，用直尺或者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a'代表玻璃砖的另一边，而不能用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和a'，故A错误；根据测量玻璃的折射率实验步骤，B选项符合实验过程，故B正确；实验时入射角θ1应尽量大一些，但也不能太大(接近90°)，以减小实验误差，故C错误。 (2)为探究介质折射率与光的频率的关系，分别用一束红光和一束绿光从同一点入射到空气与玻璃的分界面。保持相同的入射角，根据实验结果作出光路图，并标记红光和绿光，如图乙所示。此实验初步表明：对于同一种介质，折射率与光的频率有关，频率大，折射率___ (填“大”或“小”)。  大 解析：由题图乙可知，入射角相同，绿光的折射角小于红光的折射角，根据光的折射定律n=可知，绿光的折射率大于红光的折射率，又因为绿光的频率大于红光的频率，所以频率大，折射率大。 (3)为探究折射率与介质材料的关系，用同一束激光分别入射玻璃砖和某透明介质，如图丙、丁所示。保持相同的入射角α1，测得折射角分别为α2、α3，则玻璃和该介质的折射率大小关系为n玻璃_____n介质(填“>”或“<”)。此实验初步表明：对于一定频率的光，折射率与介质材料有关。  > 解析：根据折射定律可知，玻璃的折射率为n玻璃=，透明介质的折射率为n介质=，其中α2<α3，所以n玻璃>n介质。 4.(2025·福州高二检测)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 C 解析：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。 (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)  1.5 解析：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，则测出来的折射率_____。(选填“偏大”“偏小”或“不变”)  解析：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。 偏小 (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 C 解析：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。 (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：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。 偏小 本课结束 $$