4.2 实验：测定玻璃的折射率 教学设计 -2026-2027学年高二上学期物理教科版选择性必修第一册

该高中物理教学设计聚焦“测定玻璃的折射率”实验，以矩形玻璃砖光路标记示意图导入，承接光的折射定律，通过插针法原理、sini-sinr图像数据处理、误差分析，拓展至三棱镜色散，构建完整科学探究链条。 以四组图像为学习支架，运用光路建模讲授法、数形结合数据分析法，落实科学探究与科学思维素养，如通过误差示意图推理操作偏差影响，培养学生严谨实验态度，助力教师系统开展定量实验教学，提升学生实验操作与数据处理能力。

教学设计 课程名称 实验：测定玻璃的折射率 选用教材 高中物理教科版选修一 教学章节 第四章第二节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课是定量光学核心学生实验，承接上一节光的折射定律，完整落实 “提出方案 — 动手操作 — 采集数据 — 图像处理 — 误差分析 — 拓展延伸” 全套科学探究流程。第一板块依托矩形玻璃砖光路标记示意图，讲解插针法完整实验原理，说明如何利用大头针确定入射、折射、出射光路，结合折射定律计算玻璃折射率；第二板块借助 sini-sinr 图像图，介绍多组角度数据图像处理方法，根据图像斜率直接读取介质折射率；第三板块利用实验误差分析示意图，分类讲解法线倾斜、玻璃砖摆放偏移两类典型操作误差，分析测量值偏大或偏小的成因；第四板块依靠三棱镜色散实景图，拓展介质对不同色光折射率存在差异，为本章色散内容铺垫。整体搭建 “玻璃砖光路图理解插针法原理→正弦图像图掌握数据处理方法→误差示意图辨析操作失误影响→三棱镜色散图拓展不同色光折射率差异” 完整实验探究链条，强化折射定律定量应用与规范实验操作素养。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握光的折射定律、折射率定义，清楚光从空气射入玻璃时入射角大于折射角；能看懂基础光路图，知晓折射率大于 1；但不清楚插针法确定光路的完整逻辑，不会利用图像法处理多组实验数据，对各类操作带来的系统误差缺少分析思路，不明白同一介质对各色光折射率不同。 2. 能力基础 学生具备基础作图、简单角度测量能力，但规范排布大头针、精准描出玻璃砖边界的实验操作能力薄弱；多组实验数据绘制线性图像、利用斜率求物理量的数据处理能力不足；结合光路几何变化分析误差的逻辑推理能力偏弱。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：玻璃砖上下界面不平行会无法测出折射率；图像斜率永远小于 1；法线倾斜、玻璃砖偏移不会改变测量结果；白光中各色光在玻璃里折射率完全相同；插针距离过近不影响角度测量精度。 三、教学目标 1. 物理观念 建立实验定量折射观念：利用插针法可精准还原光在矩形玻璃砖内的折射光路；光从空气射入玻璃，入射角正弦与折射角正弦比值等于玻璃折射率；多组实验数据绘制 sini-sinr 图像，图像斜率等于折射率；操作不规范会带来系统误差，造成折射率测量偏离真实值；同一种透明介质对不同单色光折射率存在区别。 2. 科学思维 依托矩形玻璃砖光路标记示意图建立插针法光路还原建模思维；借助 sini-sinr 图像图建立多组实验数据线性图像处理、斜率求物理量的数据思维；利用实验误差分析示意图建立操作偏差与测量结果关联的误差推理思维；依靠三棱镜色散实景图建立色光频率与折射率关联的对比分析思维，四层思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察矩形玻璃砖光路标记示意图，复述插针法完整实验原理与操作步骤；看懂 sini-sinr 图像图，说出图像斜率代表折射率，掌握图像法数据处理流程；解读实验误差分析示意图，分别分析法线倾斜、玻璃砖摆放偏移带来的误差大小；分析三棱镜色散实景图，说明介质对不同色光折射率不同；完整经历 “玻璃砖光路图理解插针原理→正弦图像图处理实验数据→误差示意图分析操作偏差→三棱镜图拓展色光折射率差异” 标准化定量实验探究流程。 4. 科学态度与责任 光学定量实验需要规范、细致的操作，大头针排布、边界描画、角度测量微小失误都会带来明显误差，培养严谨、认真、实事求是的实验习惯；多组数据图像法处理可以减小偶然误差，体会多次测量、数形结合的科学探究方法；各类系统误差可通过规范操作减小，引导学生主动反思操作失误、优化实验方案；折射率差异带来色散现象，支撑相机、分光仪器等光学设备研发，体现定量光学实验支撑工程技术发展的实用价值。 四、教学重难点 重点 插针法测定玻璃折射率的实验原理、完整操作流程 sini-sinr 图像数据处理方法，由图像斜率求折射率 难点 结合光路几何变化分析各类操作对应的误差偏大、偏小成因 精准排布大头针、规范描画玻璃砖边界，减小实验系统误差 五、教学方法 光路建模讲授法：矩形玻璃砖光路标记示意图，拆解插针法还原光路的完整原理； 数形结合数据分析法：sini-sinr 图像图，讲解线性图像斜率与折射率对应关系； 误差对比推理法：实验误差分析示意图，对比规范、失误两种光路，推导测量偏差； 拓展延伸激趣法：三棱镜色散实景图，介绍不同色光折射率差异； 操作纠错抢答法：出示实验操作易错判断题，纠正操作认知偏差。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第一册课本；矩形玻璃砖光路标记示意图、sini-sinr 图像图、实验误差分析示意图、三棱镜色散实景图；矩形玻璃砖、白纸、大头针、量角器、铅笔成套实验器材；实验误差分层辨析练习题；分光镜、相机镜头科普图文素材。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 矩形玻璃砖光路标记示意图导入，理解插针法实验原理（10 分钟） · 投影矩形玻璃砖光路标记示意图 · 标注入射光线、两枚入射侧大头针、玻璃砖上下平行界面、折射光线、两枚出射侧大头针、法线、入射角与折射角。 · 分步讲解插针法完整原理：白纸平铺桌面放上玻璃砖，先在入射侧插两枚大头针确定入射光路；透过玻璃砖观察，在出射侧插两枚大头针，让四枚大头针在同一条折射光线上；拿走玻璃砖，连接大头针确定入射、折射光路，测量角度代入折射定律计算折射率。 · 逐条梳理标准操作要点：玻璃砖边界完整描画、大头针间距适当拉大、视线垂直纸面观察、多组不同入射角重复实验。 · 抛出同桌交流任务两分钟：大头针距离过近会对角度测量带来什么影响，说出初步猜想，教师巡回倾听各组发言。 · 临时铺垫：针距过小会放大描画、读数误差，图像法处理多组数据可以降低偶然误差，留到下一图像环节完整讲解。 · 随机点名学生，完整口述插针法实验全部操作流程，修正表述漏洞。 · 认真观察矩形玻璃砖光路标记示意图，分清四枚大头针、入射折射光路、法线、玻璃砖平行界面。 · 完整抄写插针法实验原理、四条标准操作要点，圈画 “平行界面、大头针拉开间距” 关键词。 · 在草稿纸上临摹简易玻璃砖光路，标注入射、折射光线与角度。 · 和身旁同桌相互交流大头针过近的思辨问题，分工说出角度测量误差会变大的猜想。 · 牢固记住插针法是依靠大头针标记完整光路，为本节课动手操作打好基础。 环节二 sini-sinr 图像图探究，掌握图像法处理实验数据（11 分钟） · 投影 sini-sinr 图像图 · 横轴 sinr、纵轴 sini，给出一组坐标数值，图像过原点倾斜直线。 · 结合折射定律讲解图像逻辑：光从空气射入玻璃，sini = n・sinr，纵轴与横轴比值恒定，直线斜率等于玻璃折射率。 · 规范说明图像优势：多组实验点拟合直线，平均化处理减小单次测量偶然误差，仅需读取直线上任意一点坐标即可算出折射率。 · 出示全班辨析思考题：若光线从玻璃射入空气，图像斜率会如何变化，说出判断理由，点名学生作答。 · 布置四人小组简短讨论任务三分钟：实验需要至少记录几组入射角数据，为什么不能仅测一组角度，限时汇总观点。 · 汇总小组发言，统一总结：多组数据绘制图像，消除单次描线、读数带来的偶然误差。 · 认真观察 sini-sinr 图像图，看懂过原点倾斜直线、横纵轴代表物理量，记录坐标对应正弦数值。 · 完整记录折射定律对应图像关系式，记住直线斜率等于玻璃折射率。 · 独立思考玻璃射入空气的辨析问题，举手完整说出斜率变为折射率倒数。 · 四人小组围绕多组数据思辨问题交流，统一得出单组数据误差大、多组拟合直线更精准的结论，小组代表发言分享。 · 在草稿纸上画出简易正弦图像，标注斜率代表折射率，掌握数形结合处理实验数据的方法。 环节三 实验误差分析示意图拓展，辨析两类典型操作系统误差（14 分钟） 投影实验误差分析示意图 分为（a）法线倾斜、（b）玻璃砖摆放偏移两组失误光路，对比标准正确光路。 分层拆解两类误差成因：法线未垂直界面，测量折射角偏大，计算得出的折射率偏小；玻璃砖倾斜偏移，描画界面偏离真实边界，测得折射角偏大，折射率测量值同样偏小。 出示四道分层辨析判断题：法线倾斜测得折射率偏大；玻璃砖偏移测量值偏小；针距大小不产生误差；图像斜率一定大于 1，全班集体判断对错。 收尾同桌交流任务两分钟：实验时玻璃砖上下界面不平行，还能否正常完成折射率测量，结合光路规律分析。 统一梳理误差分类：偶然误差可通过多组图像法减小；系统误差只能依靠规范操作降低，无法完全消除。 认真观察实验误差分析示意图，分清标准光路、法线倾斜失误光路、玻璃砖偏移失误光路三者角度差异。 完整记录两类操作失误对应的误差结果，圈画 “法线倾斜、玻璃砖偏移均使 n 测量偏小” 核心结论。 集体判断四道辨析题对错，针对错误题目完整说出纠正依据，规避四类顽固认知误区。 和身旁同桌相互交流玻璃砖界面不平行思辨问题，分工说出出射光路偏移但仍可测量折射率的逻辑。 整合操作要点、误差成因全部知识点，实验操作时主动规避两类典型失误。 环节四 三棱镜色散实景图拓展，认识不同色光折射率差异（7 分钟） · 投影三棱镜色散实景图 · 展示白光射入三棱镜分解为彩色光带的完整实景。 · 分层讲解拓展规律：同一块玻璃对紫光折射率最大，对红光折射率最小；不同色光折射程度不同，因此白光发生色散。 · 抛出对比思考题：本次实验使用单色黄光，若换用紫光做实验，测得的折射率数值会变大还是变小，全班集体口头作答。 · 统一梳理前后知识关联：本节课测定黄光折射率，介质折射率随光色改变，为下一节光的色散完整铺垫。 · 认真观察三棱镜色散实景图，看懂白光分解为红到紫连续彩色光带。 · 完整记录玻璃对各色光折射率大小顺序，记住紫光折射率大于红光。 · 独立思考紫光测量折射率的对比问题，口头完整说出数值会更大。 · 区分单色光、复色光实验差异，明白本节课实验仅针对单一色光。 · 整合本节课实验原理、数据处理、误差、拓展全部知识点，形成完整定量光学实验知识链条。 环节五 习题巩固 + 课堂总结（3 分钟） · 出示四道分层思考题：插针法操作判断、正弦图像斜率填空、实验误差辨析、色光折射率对比。 · 带领学生复盘四张配图对应的核心内容：玻璃砖光路标记示意图理解插针法原理→sini-sinr 图像图掌握图像数据处理→误差示意图分析法线、玻璃砖偏移两类系统误差→三棱镜色散实景图拓展各色光折射率差异。 · 集中纠正四类典型认知误区：法线倾斜测量 n 偏大、针距不影响误差、任意两列波均可稳定干涉、各色光折射率完全相同。 · 布置课后分层作业：基础题完成实验原理填空；提升题根据图像计算折射率；实践作业完整书写实验误差分析报告。 · 独立完成四道分层思考题，动笔书写完整判断依据，自行对照梳理错题。 · 跟随教师复盘本节课完整探究主线，理清四张配图对应的四大核心知识板块。 · 记录四类典型认知误区，在课本对应位置标注提醒自己规避。 · 完整记录课后三层作业，区分概念巩固、图像计算、误差分析三类任务。 环节六 课堂收尾 · 回扣开篇矩形玻璃砖光路标记示意图进行收尾总结：本节课我们通过玻璃砖光路图掌握插针法完整实验原理，借助正弦图像图学会多组数据数形结合处理方法，利用误差示意图分析两类典型操作带来的测量偏差，依托三棱镜色散实景图了解介质对不同色光折射率存在差异，下一节课学习光的色散。 · 完整回顾本节课全部核心内容：插针法实验操作、sini-sinr 图像求折射率、系统误差成因、不同色光折射率差异，清晰记住四张配图对应的完整探究主线，做好下一节色散知识预习铺垫。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托矩形玻璃砖光路标记示意图、sini-sinr 图像图、实验误差分析示意图、三棱镜色散实景图四组教材素材，沿着实验原理引入、数据方法讲解、误差推理分析、色光拓展延伸的脉络落实多维育人目标。第一，测定折射率实验每一步描画、插针、读数都会直接影响最终结果，微小操作偏差带来明显测量误差，引导学生养成细致严谨、实事求是、规范操作的实验习惯，树立严谨求真的科学品格；第二，单次测量存在较大偶然误差，通过多组实验、绘制线性图像平均化处理数据，教会学生用多次测量、数形结合的科学方法降低误差，体会定量实验的数据处理逻辑；第三，法线倾斜、玻璃砖偏移等人为操作失误会产生固定系统误差，实验后主动复盘偏差成因、优化操作方案，培养反思、修正、改进的探究思维；第四，玻璃对不同色光折射率存在稳定差异，简单定量实验结论支撑分光镜、相机镜头、光谱分析设备研发，基础光学实验直接服务摄影、检测、精密仪器制造行业，体现物理实验支撑生产科技发展的实用价值；第五，白光色散现象由各色光折射率差异造成，看似复杂的彩色分解，根源是统一的折射定量规律，感受自然光学现象背后简洁统一的物理定量秩序；第六，规范操作可以最大限度降低系统误差，微小严谨操作能够大幅提升实验精度，引导学生明白细节决定实验结果，做事严谨细致才能得到客观准确的结论。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课四类图像素材直观易懂，同桌、四人小组讨论参与积极性较高，但课堂存在四类顽固认知误区，学生误差逻辑推理、图像数据处理能力存在薄弱点：第一，大量学生认为法线倾斜后测得的折射率偏大，分不清折射角测量偏大带来计算值偏小；第二，误以为大头针间距大小不会产生测量误差，不理解针距过小会放大描画偏差；第三，认为玻璃砖上下界面不平行就无法完成折射率测量；第四，认为玻璃对所有单色光折射率数值相等；同时部分学生自主根据图像坐标计算斜率、推导折射率的数据处理能力偏弱，结合光路几何变化分析误差的逻辑推理不够清晰。 2. 修改措施 第一，课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：法线倾斜 n 测量偏小、针距过小增大误差、界面不平行仍可测量、各色光折射率不同； 第二，课堂增加四轮抢答互动练习：插针法操作辨析、正弦图像斜率计算、系统误差判断、色光折射率对比，快速纠正基础认知误区； 第三，延长四人小组误差示意图讨论时长，帮扶逻辑推理薄弱学生梳理光路角度变化与折射率计算的关联； 第四，课后配套分层作业，基础层完成实验原理填空；提升层根据图像计算折射率；拓展层完整分析三类实验误差； 第五，下一节课课前两分钟快速回顾折射率实验核心规律，顺畅衔接光的色散新知识。 学科网（北京）股份有限公司 $