(共30张PPT)
内容索引
01
02
课前篇 自主预习
课堂篇 探究学习
学习目标 思维导图
1.会用“插针法”确定入射光线、折射光线。(科学探究)
2.会用公式法、图像法(sin i-sin r图)求折射率。(科学探究)
3.会控制实验误差。(科学探究)
课前篇 自主预习
自主阅读
一、实验目的
1.测量玻璃的折射率。
2.学习用插针法确定光路。
二、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,用量角器测出入射角i和折射角r,根据折射定律计算出玻璃的折射率
三、实验器材
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、刻度尺、铅笔。
四、实验步骤
1.如图所示,将白纸用图钉钉在平木板上。
2.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'。
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。
6.连接 OO' ,入射角i= ∠AON ,折射角r= ∠O'ON' ,用量角器量出入射角和折射角,从三角函数表中查出它们的正弦值,把这些数据记录在自己设计的表格中。
7.用上述方法分别求出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角,查出它们的正弦值,填入表格中。
五、数据处理
3.单位圆作图法:
(1)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OE(或OE的延长线)交于D点,过C、D两点分别向N'N作垂线,交NN'于C'、D',用直尺量出CC'和DD'的长,如图所示。
六、注意事项
1.实验时,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。
2.入射角i应适当大一些,以减小测量角度的误差,但入射角不宜太大。
3.在操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁面,更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。
4.在实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。
5.应选用宽度较大的玻璃砖,宜在5 cm以上。若宽度太小,则测量误差会较大。
七、实验误差
1.入射光线和出射光线画得不够精确。因此,要求插大头针时两大头针间距应稍大。
2.入射角、折射角测量不精确。为减小测角时的相对误差,入射角要稍大些,但不宜太大,入射角太大时,反射光较强,折射光会相对较弱。
自我检测
正误判断
(1)在测量玻璃的折射率实验中,入射角越大,误差越小。( )
答案 ×
(2)在白纸上放好玻璃砖后,用铅笔贴着光学面画出界面。( )
答案 ×
(3)实验时既可用量角器,也可用圆规和直尺等工具进行测量。( )
答案 √
(4)判断像与针是否在同一直线时,应该观察大头针的头部。( )
解析 大头针头部较粗,为了避免误差,判断像与针是否在同一直线上时,不应该观察大头针的头部。
答案 ×
课堂篇 探究学习
探究一
实验数据处理方法
典例剖析
例题1在测量玻璃的折射率实验中,主要步骤如下:
(1)如图,在放置好平行玻璃砖的白纸上竖直插上大头针P1、P2确定入射光线,然后在另一侧透过玻璃砖观察,插上大头针P3,使它挡住P2、P1的像,接着插上第四枚大头针P4,使它挡住 。
(2)撤去玻璃砖,在实验记录图(如图)中补画出完整的光路图。
(3)根据正确的光路图进行测量和计算,求得该玻璃砖的折射率n= (结果保留一位小数)。
解析 (1)第四枚大头针P4要挡住P3及P2、P1的像。
(2)光路如图所示。
(3)根据正确的光路图进行测量可得入射角θ1=45°,折射角θ2=30°,得该
答案 (1)P3及P1、P2的像 (2)光路图见解析 (3)1.4
变式训练1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(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;
(2)为了测出玻璃的折射率,需要测量入射角和折射角,请在图中的AB分界面上画出这两个角;
(3)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,画出了如图乙所示的图像,由图像可知该玻璃的折射率n= 。
解析 (1)连接P3、P4与CD交于一点,此交点即为光线从玻璃砖中射出的位置,又由于P1、P2的连线与AB的交点即为光线进入玻璃砖的位置,连接两点即可作出玻璃砖中的光线,如图所示。
(2)连接O点与光线在AB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。
答案 (1)见解析图 (2)见解析图 (3)1.5
探究二
实验误差的分析
典例剖析
例题2在利用插针法测量玻璃折射率的实验中:
(1)甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa'和bb'后,不小心碰了玻璃砖使它向aa'方向平移了少许,如图甲所示。则他测出的折射率将 (选填“偏大”“偏小”或“不变”);
(2)乙同学在画界面时,不小心将两界面aa'、bb'间距画得比玻璃砖宽度大些,如图乙所示,则他测得的折射率 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
解析 (1)如图甲所示,入射点为入射光线与aa'直线的交点,出射点为出射光线与bb'直线的交点,两交点的连线为折射光线,由图甲可知,测得的入射角、折射角与真实的入射角、折射角相等,因此测得的折射率将不变。
(2)如图乙所示,乙同学利用插针法确定入射光线、折射光线后,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。
答案 (1)不变 (2)偏小
规律方法 解决此类误差问题的思路:(1)画出正确操作和因操作不当的光路图。(2)分析入射角、折射角相对于真实角的变化情况。(3)根据 =n分析折射率的变化情况。
变式训练2 如图所示,某同学用插针法测量一半圆形玻璃砖的折射率。在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2确定入射光线,并让入射光线过圆心O,在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3,使P3挡住P1、P2的像,连接OP3,图中MN为分界面,虚线半圆与玻璃砖对称,B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点,AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点。
(1)设AB的长度为l1,AO的长度为l2,CD的长度为l3,DO的长度为l4,为较方便地表示出玻璃砖的折射率,需用刻度尺测量 ,则玻璃砖的折射率可表示为 。
(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度,由此测得玻璃砖的折射率将 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
当堂检测
1.(多选)在做“测量玻璃砖的折射率”的实验时,下列关于实验要求的叙述正确的是( )
A.玻璃砖的宽度宜大些
B.大头针应垂直地插在纸面上
C.每边的两个大头针的距离近些容易观察
D.在插P4时,只要挡住P3的光线就行,与P1、P2无关
解析 玻璃砖宽大些,入射光、出射光与界面的交点偏移距离大,便于画图和测量。大头针垂直插在纸上可减少误差,每边的两个大头针的距离过近,测量误差较大,在插P4时要挡住P3和P1、P2的像,与P1、P2有关。故A、B项正确。
答案 AB
2.某同学由于没有量角器,他在完成了光路图后,以O点为圆心,10 cm为半径画圆,分别交线段OA于A点,交线段OO'的延长线于C点,过A点作法线NN'的垂线AB交NN'于B点,过C点作法线NN'的垂线CD交NN'于D点,如图所示。用刻度尺量得OB=8 cm,CD=4 cm,由此可得出玻璃的折射率n= 。
答案 1.5第4章光的折射和全反射
第2节 科学测量:玻璃的折射率
课后篇巩固提升
必备知识基础练
1.(2019天津卷)某小组做测定玻璃的折射率实验,所用器材有:玻璃砖,大头针,刻度尺,圆规,笔,白纸。
(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度 。
A.选用两光学表面间距大的玻璃砖
B.选用两光学表面平行的玻璃砖
C.选用粗的大头针完成实验
D.插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些
(2)该小组用同一套器材完成了四次实验,记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如下图所示,其中实验操作正确的是 。
(3)该小组选取了操作正确的实验记录,在白纸上画出光线的径迹,以入射点O为圆心作圆,与入射光线、折射光线分别交于A、B点,再过A、B点作法线NN'的垂线,垂足分别为C、D点,如图所示,则玻璃的折射率n= 。(用图中线段的字母表示)
解析(1)在插针法测定玻璃的折射率实验中,使用两光学面间距大的玻璃砖能更准确地确定玻璃砖内光线的位置,有利于减小实验误差,而两光学面是否平行对测量折射率没有影响,选项A准确、B错误;插针时要求后插的针挡住先插的针或先插的针的像,故选用细一点的大头针能更准确地确定光线位置,提高实验精确度,选项C错误;实验中是根据同侧两枚大头针的连线来确定入射光线或出射光线,故距离大些更好,选项D准确。
(2)由题图可知实验使用的是平行玻璃砖,故出射光线应该与入射光线平行,选项A出射光线与入射光线在同一直线上,选项B、C中出射光线与入射光线不平行,故只有选项D正确。
(3)设图中入射角为i,折射角为r,则sin i=、sin r=,故折射率n=。
答案(1)AD (2)D (3)
2.某同学设计了一个测量液体折射率的仪器,如图所示。在一个圆形木盘上过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF,在半径OA上垂直圆盘面插下两枚大头针P1、P2并保持P1、P2的位置不变,每次测量时,让圆盘的BFC部分竖直浸入液体中,而且使液面与直径BC相平,EF为界面的法线,而后在图中右上方区域观察P1、P2的像,并在圆周上插上大头针P3,使P3正好挡住P1、P2的像。同学们通过计算,预先在圆周EC部分刻好了折射率的值。这样只要根据P3所插的位置,就可直接读出液体折射率的值。
(1)若∠AOF=30°,OP3与OC的夹角为30°,则P3处所对应的折射率的值为 。
(2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率值大 。
(3)作AO的延长线交圆周于K,K处所对应的折射率的值应为 。
解析(1)此时OP3与OE之间的夹角为入射角,θ1=60°,θ2=30°,则n=。
(2)P4对应的入射角大,折射角相同,所以对应的折射率大。
(3)当在K位置时,入射角与折射角相等,所以折射率等于1。
答案(1) (2)P4 (3)1
关键能力提升练
3.(多选)某同学用“插针法”做测量玻璃折射率的实验时,他的方法和操作步骤都正确无误,但他处理实验数据时,发现玻璃砖的两个光学面aa'和bb'不平行,如图,则( )
A.P1P2与P3P4两条直线平行
B.P1P2与P3P4两条直线不平行
C.他测出的折射率偏大
D.他测出的折射率不受影响
解析光线由aa'进入玻璃砖时,由折射定律得n=,光线由bb'射出玻璃砖时,由折射定律得n=。若aa'∥bb',则有θ1=β,进而有α=θ2,出射光线O'B与入射光线AO平行。若aa'和bb'不平行,则有θ1≠β,进而有α≠θ2,出射光线O'B与入射光线AO不平行,故选项B正确,A错误;在用“插针法”测玻璃的折射率时,只要实验方法正确,光路准确无误,结论必定是正确的,它不会受玻璃砖形状的影响,选项D正确,C错误。
答案BD
4.用三棱镜做测量玻璃的折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在的一侧插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3和P1、P2的像,在纸上标出的大头针的位置和三棱镜轮廓如图所示。
(1)在本题的图上画出所需的光路。
(2)为了测出棱镜玻璃的折射率,需要测量的量是 ,在图上标出它们。
(3)计算折射率的公式是n= 。
解析(1)光路图如图所示,画出通过P1、P2的入射光线,交AC面于O,画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O',连接O、O',则光线OO'就是入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线。
(2)在所画的图上注明入射角i和折射角r,并画出虚线部分,用量角器量出i和r(或用直尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度)。
(3)n=或因为sin i=,sin r=,则n=。
答案见解析
