實驗十四 測定玻璃的折射率

實驗十四測定玻璃的折射率考綱解讀 1.學(xué)會用插針法確定光路.2.會用玻璃磚和光的折射定律測定玻璃的折射率基本實驗要求1實驗原理如實驗原理圖甲所示，當(dāng)光線AO1以一定的入射角1穿過兩面平行的玻璃磚時，通過插針法找出跟入射光線AO1對應(yīng)的出射光線O2B，從而求出折射光線O1O2和折射角2，再根據(jù)n或n算出玻璃的折射率2實驗器材木板、白紙、玻璃磚、大頭針、圖釘、量角器、三角板、鉛筆3實驗步驟(1)用圖釘把白紙固定在木板上(2)在白紙上畫一條直線aa，并取aa上的一點O為入射點，作過O點的法線NN.(3)畫出線段AO作為入射光線，并在AO上插上P1、P2兩根大頭針(4)在白紙上放上玻璃磚，使玻璃磚的一條長邊與直線aa對齊，并畫出另一條長邊的對齊線bb.(5)眼睛在bb的一側(cè)透過玻璃磚觀察兩個大頭針并調(diào)整視線方向，使P1的像被P2的像擋住，然后在眼睛這一側(cè)插上大頭針P3，使P3擋住P1、P2的像，再插上P4，使P4擋住P3和P1、P2的像(6)移去玻璃磚，拔去大頭針，由大頭針P3、P4的針孔位置確定出射光線OB及出射點O，連接O、O得線段OO.(7)用量角器測量入射角1和折射角2，并查出其正弦值sin 1和sin 2.(8)改變?nèi)肷浣?，重?fù)實驗，算出不同入射角時的，并取平均值規(guī)律方法總結(jié)1數(shù)據(jù)處理(1)計算法：用量角器測量入射角1和折射角2，并查出其正弦值sin 1和sin 2.算出不同入射角時的，并取平均值(2)作sin 1sin 2圖象：改變不同的入射角1，測出不同的折射角2，作sin 1sin 2圖象，由n可知圖象應(yīng)為直線，如實驗原理圖乙所示，其斜率為折射率(3)“單位圓”法確定sin 1、sin 2，計算折射率n.以入射點O為圓心，以一定的長度R為半徑畫圓，交入射光線OA于E點，交折射光線OO于E點，過E作NN的垂線EH，過E作NN的垂線EH.如實驗原理圖丙所示，sin 1，sin 2，OEOER，則n.只要用刻度尺量出EH、EH的長度就可以求出n.2注意事項(1)用手拿玻璃磚時，手只能接觸玻璃磚的毛面或棱，不能觸摸光潔的光學(xué)面，嚴(yán)禁把玻璃磚當(dāng)尺子畫玻璃磚的另一邊bb.(2)實驗過程中，玻璃磚在紙上的位置不可移動(3)大頭針應(yīng)豎直地插在白紙上，且玻璃磚每兩枚大頭針P1與P2間、P3與P4間的距離應(yīng)大一點，以減小確定光路方向時造成的誤差(4)實驗時入射角不宜過小，否則會使測量誤差過大，也不宜過大，否則在bb一側(cè)將看不到P1、P2的像考點一實驗原理與操作例1(2012·江蘇·12B(2)“測定玻璃的折射率”實驗中，在玻璃磚的一側(cè)豎直插兩個大頭針A、B，在另一側(cè)再豎直插兩個大頭針C、D.在插入第四個大頭針D時，要使它_圖1是在白紙上留下的實驗痕跡，其中直線a、a是描在紙上的玻璃磚的兩個邊根據(jù)該圖可算得玻璃的折射率n_.(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖1解析確定出射光線時應(yīng)使D擋住C和A、B的像，作圖如圖所示，以O(shè)為圓心，OO為半徑作圓交AB于E點，過E作a的平行線交法線于F，根據(jù)n得n，測量EF和OP長度得n1.8(1.61.9均正確，方法亦有多種)答案擋住C及A、B的像1.8(1.61.9都算對)變式題組1實驗操作某同學(xué)用半圓形玻璃磚測定玻璃的折射率(如圖2所示)實驗的主要過程如下：圖2A把白紙用圖釘釘在木板上，在白紙上作出直角坐標(biāo)系xOy，在白紙上畫一條線段AO表示入射光線B把半圓形玻璃磚M放在白紙上，使其底邊aa與Ox軸重合C用一束平行于紙面的激光從y0區(qū)域沿y軸負(fù)方向射向玻璃磚，并沿x軸方向調(diào)整玻璃磚的位置，使這束激光從玻璃磚底面射出后，仍沿y軸負(fù)方向傳播D在AO線段上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2.E在坐標(biāo)系y0的區(qū)域內(nèi)豎直地插上大頭針P3，并使得從P3一側(cè)向玻璃磚方向看去，P3能同時擋住P1和P2的像F移開玻璃磚，連接O、P3，用圓規(guī)以O(shè)點為圓心畫一個圓(如圖中虛線所示)，此圓與AO線交點為B，與OP3線的交點為C.確定出B點到x軸、y軸的距離分別為x1、y1，C點到x軸、y軸的距離分別為x2、y2.(1)若實驗中該同學(xué)沒有將玻璃磚的底邊aa與Ox軸重合，而是向y0方向側(cè)移了一些，這將導(dǎo)致所測的玻璃折射率與其真實值相比_(選填“偏大”“不變”或“偏小”)(2)若實驗中該同學(xué)在y0的區(qū)域內(nèi)，從任何角度都無法透過玻璃磚看到P1、P2，為能透過玻璃磚看到P1、P2，應(yīng)采取的措施是： _答案見解析解析(1)折射率n，玻璃磚的底邊aa與Ox軸未重合而向y0方向側(cè)移了一些，導(dǎo)致測量的x2偏大，x1偏小，所以玻璃的折射率的測量值與真實值相比偏大；(2)在y0的區(qū)域內(nèi)，從任何角度都無法透過玻璃磚看到P1、P2，說明光線AO在界面aa上發(fā)生了全反射應(yīng)該減小光線AO的入射角2實驗操作某同學(xué)用大頭針、三角板、量角器等器材測半圓形玻璃磚的折射率開始時玻璃磚的位置如圖3中實線所示，使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上，該直線垂直于玻璃磚的直徑邊，然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉(zhuǎn)動，同時在玻璃磚直徑邊一側(cè)觀察P1、P2的像，且P2的像擋住P1的像如此觀察，當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)到圖中虛線位置時，上述現(xiàn)象恰好消失此時只需測量出_，即可計算出玻璃磚的折射率請用你的測量量表示出折射率_圖3答案玻璃磚直徑邊繞O點轉(zhuǎn)過的角度n解析由題意可知，當(dāng)玻璃磚轉(zhuǎn)過某一角度時，剛好發(fā)生全反射，在直徑邊一側(cè)觀察不到P1、P2的像，作出如圖所示的光路圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)過角度時有n.考點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2在“測定玻璃的折射率”實驗中，某同學(xué)經(jīng)正確操作插好了4枚大頭針，如圖4所示圖4(1)在圖5中畫出完整的光路圖：圖5(2)對你畫出的光路圖進(jìn)行測量和計算，求得該玻璃磚的折射率n_(保留3位有效數(shù)字)(3)為了觀測光在玻璃磚不同表面的折射現(xiàn)象，某同學(xué)做了兩次實驗，經(jīng)正確操作插好了8枚大頭針，如圖6所示圖中P1和P2是同一入射光線上的2枚大頭針，其對應(yīng)出射光線上的2枚大頭針是P3和_(填“A”或“B”)圖6解析(1)分別連接玻璃磚兩側(cè)的大頭針?biāo)诘狞c并延長，與玻璃磚邊分別相交，標(biāo)出傳播方向，然后連接玻璃磚邊界的兩交點，即為光線在玻璃磚中的傳播路徑光路圖如圖所示(2)設(shè)方格紙上小正方形的邊長為1，光線的入射角為1，折射角為2，則sin 10.798，sin 20.521，所以該玻璃磚的折射率n1.53.(3)由題圖可知，光線P1P2入射到玻璃磚上時，相當(dāng)于光線射到了一個三棱鏡上，因此出射光線將向底邊偏折，所以出射光線過P3和A.答案(1)見解析圖(2)1.53(說明：±0.03范圍內(nèi)都可)(3)A變式題組3誤差分析在用插針法測定玻璃磚的折射率的實驗中，甲、乙、丙三位同學(xué)在紙上畫出的界面aa、bb與玻璃磚位置的關(guān)系分別如圖7、和所示，其中甲、丙兩同學(xué)用的是矩形玻璃磚，乙同學(xué)用的是梯形玻璃磚他們的其他操作均正確，且均以aa、bb為界面畫光路圖圖7(1)甲同學(xué)測得的折射率與真實值相比_(填“偏大”“偏小”或“不變”)(2)乙同學(xué)測得的折射率與真實值相比_(填“偏大”“偏小”或“不變”)(3)丙同學(xué)測得的折射率與真實值相比_答案(1)偏小(2)不變(3)可能偏大、可能偏小、可能不變解析(1)用圖測定折射率時，玻璃中折射光線偏折大了，所以折射角增大，折射率變??；(2)用圖測定折射率時，只要操作正確，與玻璃磚形狀無關(guān)；(3)用圖測定折射率時，無法確定折射光線偏折的大小，所以測得的折射率可能偏大、可能偏小、可能不變4數(shù)據(jù)處理和誤差分析某同學(xué)利用“插針法”測定玻璃的折射率，所用的玻璃磚兩面平行正確操作后，作出的光路圖及測出的相關(guān)角度如圖8所示圖8(1)此玻璃的折射率計算式為n_(用圖中的1、2表示)；(2)如果有幾塊寬度大小不同的平行玻璃磚可供選擇，為了減小誤差，應(yīng)選用寬度_(填“大”或“小”)的玻璃磚來測量答案(1)(2)大解析(1)據(jù)題意可知入射角為90°1，折射角為90°2，則玻璃的折射率為n.(2)玻璃磚越寬，光線在玻璃磚內(nèi)的傳播方向越容易確定，測量結(jié)果越準(zhǔn)確故應(yīng)選用寬度大的玻璃磚來測量考點三實驗拓展與創(chuàng)新例3學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí)，某研究小組的同學(xué)根據(jù)所學(xué)的光學(xué)知識，設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器，如圖9所示在一圓盤上，過其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF，在半徑OA上，垂直盤面插下兩枚大頭針P1、P2，并保持P1、P2位置不變，每次測量時讓圓盤的下半部分豎直進(jìn)入液體中，而且總使得液面與直徑BC相平，EF作為界面的法線，而后在圖中右上方區(qū)域觀察P1、P2的像，并在圓周上插上大頭針P3，使P3正好擋住P1、P2的像，同學(xué)們通過計算，預(yù)先在圓周EC部分刻好了折射率的值，這樣只要根據(jù)P3所插的位置，就可直接讀出液體折射率的值，則：圖9(1)若AOF30°，OP3與OC的夾角為30°，則P3處所對應(yīng)的折射率的值為_(2)圖中P3、P4兩位置哪一處所對應(yīng)的折射率的值大？答：_.(3)作AO的延長線交圓周于K，K處所對應(yīng)的折射率值應(yīng)為_解析(1)根據(jù)折射定律n，題中160°，2AOF30°，所以n.(2)題圖中P4對應(yīng)的入射角大于P3所對應(yīng)的入射角，所以P4對應(yīng)的折射率的值大(3)因A、O、K在一條直線上，入射角等于折射角，所以K處對應(yīng)的折射率的值應(yīng)為1.答案(1)(2)P4處對應(yīng)的折射率的值大(3)1變式題組5實驗創(chuàng)新如圖10所示，一個學(xué)生用廣口瓶和刻度尺測定水的折射率，請?zhí)顚懴率鰧嶒灢襟E中的空白圖10(1)用_測出廣口瓶瓶口內(nèi)徑d.(2)在瓶內(nèi)裝滿水(3)將刻度尺沿瓶口邊緣_插入水中(4)沿廣口瓶邊緣向水中刻度尺正面看去，若恰能看到刻度尺的0刻度(即圖中A點)，同時看到水面上B點刻度的像B恰與A點的像相重合(5)若水面恰與直尺的C點相平，讀出_和_的長度(6)由題中所給條件，可以計算水的折射率n_.答案(1)刻度尺(3)豎直(5)ACAB(6) 解析由光路圖知：sin 1，sin 2，根據(jù)折射定律n .6實驗創(chuàng)新如圖11所示，置于空氣中的一不透明容器內(nèi)盛滿某種透明液體，容器底部靠近器壁處有一豎直放置的6 cm長的線光源靠近線光源一側(cè)的液面上蓋有一遮光板，另一側(cè)有一水平放置的與液面等高的望遠(yuǎn)鏡，用來觀察線光源開始時通過望遠(yuǎn)鏡不能看到線光源的任何一部分將線光源沿容器底向望遠(yuǎn)鏡一側(cè)水平移至某處時，通過望遠(yuǎn)鏡剛好可以看到線光源底端，再將線光源沿同一方向移動8 cm，剛好可以看到其頂端此液體的折射率n_. 圖11答案1.25解析若線光源底端在A點時，通過望遠(yuǎn)鏡剛好可以看到線光源底端，設(shè)過O點作液面的法線OO1，則AOO1其中為光從液體到空氣發(fā)生全反射的臨界角，由折射定律有sin 同理，若線光源頂端在B1點時，通過望遠(yuǎn)鏡剛好可以看到線光源頂端，則B1OO1.設(shè)此時線光源底端位于B點由圖中幾何關(guān)系可得sin 聯(lián)立式得n由題給條件可知AB8 cm，BB16 cm代入式得n1.25