4.2 科学测量：玻璃的折射率课件（49张PPT）

(共49张PPT)
第2节　科学测量:玻璃的折射率　
【实验目的】
1.测量玻璃砖的折射率;
2.学习用插针法确定光路。
【实验器材】
木板、白纸、_______、_______、图钉、刻度尺、_______、铅笔。
玻璃砖
大头针
量角器
【实验原理与设计】
1.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。
2.实验设计:透过玻璃砖观察大头针P1、P2,调整视线方向,直到P2挡住P1的像,再
在玻璃砖另一侧依次插入大头针P3、P4,使P3挡住P2、P1,P4挡住P3、P2、P1。这
样,P1、P2以及P3、P4的连线分别代表入射光线和经玻璃砖折射后射出的光线,由
此便可画出光路图,并测出入射角和折射角。
关键能力·素养形成
【实验过程】
一、实验步骤
(1)把白纸固定在方木板上,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线的方向。
(2)用两枚大头针在玻璃砖的另一侧确定出射光线的方向。
(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O′,连接
OO′即为玻璃砖内部的折射光,画出入射点的法线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。
【思考·讨论】
如果实验室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 请说明理由。 (科学思维)
提示:能。根据光的折射定律,只要确定了入射光线和折射光线,就可以测出玻璃砖的折射率。
二、数据收集与分析
1.设计入射角i和折射角r的数据收集表:
实验次数 入射角i 折射角r 折射率n 平均值
1
2
3
2.数据处理:
(1)计算法:
通过测量入射角和折射角,然后查数学用表,得出入射角和折射角的正弦值,再
代入n= 中,求多组不同入射角对应的n的值,然后取其平均值,即为玻璃砖的
折射率。
(2)图像法:
求出多组对应的入射角与折射角的正弦值,作出sini-sinr图像,由n= 可知
图像应为直线,如图所示,其斜率为折射率。
(3)单位圆法:
在不使用量角器的情况下,可以用单位圆法。
①以入射点O为圆心,以一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO′于E′点。过E作NN′的垂线EH,过E′作NN′的垂线E′H′,如图所示。
②由图中几何关系得:sini= ,
sinr= ,OE=OE′=R。
则n= ,
只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。
【思考·讨论】
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 (科学思维)
提示:大些。因为玻璃砖宽度大些可以减小实验误差。
【误差分析】
1.入射光线和出射光线画得不够准确。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。
实验研析 素养迁移
类型一　实验操作
【典例1】在“测定玻璃折射率”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。
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___________________。
(2)实验中测出了多组入射角θ1与折射角θ2,并作出了sinθ1-sinθ2的图像如图。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
【解析】(1)本实验用插针法测量玻璃砖的折射率,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)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,为n= =1.5;选项C错误,D正确;
故选B、D。
答案:(1)步骤②中应在白纸上画出玻璃砖的另一边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　(2)B、D
类型二　数据处理
【典例2】小花在做“测定玻璃的折射率”的实验中,先在白纸上放好玻璃砖,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,插上大头针P3、P4,如图所示,aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面,用“×”表示大头针的位置。图中AO表示经过大头针P1和P2的光线,该光线与界面aa′交于O点,MN表示法线。
(1)请将光路图画完整,并在图中标出光线进入玻璃砖发生折射现象的入射角θ1和折射角θ2。
(2)该玻璃砖的折射率可表示为n=________。(用θ1和θ2表示)
(3)确定P3位置的方法是_______________。
(4)对实验中的现象,下面说法正确的是________。
A.大头针应垂直于纸面插上
B.此实验可以不用量角器
C.如果玻璃砖aa′和bb′不平行,则无法用此方法测量折射率
【解析】(1)由于P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3和P1、P2的像,故通过P1、P2的光线折射后通过P3、P4,作出光路图,如图所示:
(2)根据折射定律,玻璃砖的折射率为:n= 。
(3)在另一侧透过玻璃砖观察,插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像。
(4)大头针应垂直地插在纸面上,这样便于观察,故A正确;没有量角器,可以用下
列方法求出折射率:完成了光路图以后,以O点为圆心、适当长度为半径画圆,分
别交线段OA于A点,交O、O′连线延长线于C点。过A点作法线MN的垂线AB交MN于
B点,过C点作法线MN的垂线CD交MN于D点,如图所示。
则由几何知识得到:sinθ1= ,sinθ2= ,又AO=OC,则得折射率
n= ,故B正确;在测定玻璃的折射率的实验中,如果所用玻璃的两表面
aa′和bb′不平行,只要操作正确,画出的光路图正确,则能正确得出入射角与
折射角,由n= ,可知折射率n的测量值只与入射角和折射角有关,而与两个
表面的形状无关,所以测得的折射率不变,所以玻璃砖aa′和bb′不平行,也可
以用此方法测量折射率,故C错误。
答案:
(1)见解析图
(2)
(3)在另一侧透过玻璃砖观察,插上大头针P3,使P3挡住P1和P2的像　(4)A、B
类型三　实验创新
【典例3】(1)实验室有一梯形玻璃砖,某同学想用“插针法”测定玻璃的折射率。玻璃砖有4个光学面A、B、C、D,如图1所示,其中A、C两面相互平行,实验中该同学对入射面和出射面的认识正确的是________。
A.只能选用A、C两面
B.可以选用A、B两面
C.不能选用B、D两面
(2)该同学在选用A、C两面进行实验时,正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图2所示。此玻璃的折射率计算式为n=________(用图中的θ1、θ2表示)。
【解析】(1)应用插针法测玻璃的折射率实验时,在玻璃砖的一侧竖直插上两枚
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挡住P1
的像;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及
P1、P2的像,记下P3、P4的位置,由图1所示玻璃砖可知,实验时可以用A、C两面,
或用A、B两面,或用B、C两面,或用B、D两面进行实验,故B正确,A、C错误;故选
B。
(2)由图2所示可知,玻璃的折射率:n= 。
答案:(1)B　(2)
【创新评价】
创新角度 创新方案
实验方法 不再用玻璃的两个平行面测量玻璃的折射率
课堂检测·素养达标
1.(多选)如图所示,用插针法测定玻璃折射率的实验中,以下说法中正确的是
(　　)
A.P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些,可以提高准确度
B.P1、P2及P3、P4之间的距离取得小些,可以提高准确度
C.入射角θ1适当大些可以提高准确度
D.P1、P2的间距,入射角的大小均与实验的准确度无关
【解析】选A、C。借助针的位置来确定实验中的入射光线和折射光线,针间的距离太小,容易出现偏差,故选项A符合题意,选项B不符合题意;入射角适当大些,相应的折射角也增大,折射现象较明显,可提高准确度,故选项C符合题意;针间的距离、入射角的大小对实验准确度有影响,故选项D不符合题意。
2.某同学通过实验研究光的折射现象。如图甲所示,O是圆心,MN是法线,AO、BO分别表示某次测量时光线在空气和玻璃砖中的传播路径。该同学测得多组入射角i和折射角r,作出sini-sinr图像如图乙所示。则 (　　)
A.光由A经O到B
B.入射角与折射角成正比
C.玻璃的折射率为n=1.5
D.空气的折射率为n=0.67
【解析】选C。由图像可得:sini由B经O到A,选项A错误。根据折射定律得 可知,入射角的正弦与折射角
的正弦成正比,选项B错误;由图像得: ,所以可得玻璃的折射率
n=1.5,空气的折射率为n=1,故C正确,D错误。故选C。
3.某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率,所用的玻璃砖两面平行。正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图所示:
(1)此玻璃的折射率计算式为n=________(用图中的θ1、θ2表示)。
(2)如果有几块宽度大小不同的平行玻璃砖可供选择,为了减小误差,应选用宽度________(选填“大”或“小”)的玻璃砖来测量。
【解析】(1)光线由空气射入玻璃的入射角i=90°-θ1,折射角r=90°-θ2,
由折射率的定义可得:n= ;
(2)根据平行玻璃砖对光线的影响可知,玻璃砖宽度越大,侧移量越大,
折射角的测量误差越小。所以为了减小误差,应选用宽度大的玻璃砖来测量。
答案:(1) 　(2)大
4.如图所示,在“测量玻璃的折射率”的实验中,当光线AO以一定入射角穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找到跟入射光线AO对应的出射光线O′B,从而确定玻璃中的折射光线OO′。
(1)在图中标记了四个角,分别为θ1、θ2、θ3、θ4,则玻璃的折射率n=________。
(2)下列措施中,不能减小实验误差的是________。
A.玻璃砖界面aa′与bb′间的距离适当大些
B.入射角要尽量小些
C.大头针应竖直地插在纸面上
D.针P1与P2、P3与P4的间距要适当远些
【解析】(1)由光的折射定律可知,玻璃的折射率n= 。
(2)玻璃砖界面aa′与bb′间的距离适当大些,可减小实验的误差,选项A不符合
题意;入射角太小,则角度的测量会产生误差,则不能减小误差,选项B符合题意;
大头针应竖直地插在纸面上,可减小实验误差,选项C不符合题意;针P1与P2、P3
与P4的间距要适当远些,这样可减小标记入射光线以及折射光线时的误差,选项
D不符合题意。
答案:(1) 　(2)B
5.用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率,O为玻璃截面的圆心,使入射光线跟玻璃砖的平面垂直,如图所示的4个图中P1、P2、P3和P4是4个学生实验插针的结果。
(1)在这4个图中肯定把针插错了的是________。
(2)在这4个图中可以比较准确地测出折射率的是________,计算玻璃的折射率的公式是________(对右侧面用θ1表示入射角,θ2表示折射角)。
【解析】(1)肯定把针插错了位置的是图A, 因为此光线通过玻璃砖后,会发生
折射,光线方向会发生改变。
(2)要比较准确地测定折射率,折射角不能太大,也不能太小,所以可比较准确地
测定折射率的是图D,计算玻璃的折射率的公式是n= 。
答案:(1)A　(2)D　n=
6.在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中,甲、乙、丙、丁四位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图①、②、③和④所示。
其中甲、乙、丁同学用的是矩形玻璃砖,丙同学用的是梯形玻璃砖。他们的其他操作均正确,且均以aa′、bb′为界面画光路图,则甲同学测得的折射率与真实值相比________;乙同学测得的折射率与真实值相比________;丙同学测得的折射率与真实值相比________;丁同学测得的折射率与真实值相比________。(以上各空均选填“偏大”“偏小”“不变”或“偏大、偏小、不变都有可能”)
【解析】用图①测定折射率时,画出玻璃中折射光线的折射角偏大,折射率偏小;用图②测定折射率时,画出玻璃中的折射光线的折射角偏大,折射率偏小;用图③测折射率时,只要操作正确即可,与玻璃砖形状无关;
用图④测折射率时,若出射点恰好为bb′与玻璃砖的交点,则测得的折射率不变。若出射点在bb′与玻璃砖交点的左边(右边),则测得的折射率偏小(偏大)。
答案:偏小　偏大　不变　偏大、偏小、不变都有可能
7.某小组做了“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)该小组用同一套器材完成了四次实验,记录的玻璃砖界面和四个大头针扎下的孔洞如图所示,其中实验操作正确的是________。
(2)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)因玻璃的折射率较大,故在玻璃中的折射角一定小于入射角;实验作出的入射角一定大于折射角;并且光线从玻璃中出来后,应与入射光线平行;所以选B。
(2)折射率为:n= ,
其中:sini= ,sinr=
解得:n=
答案:(1)B　(2)
8.用半圆形玻璃砖测定玻璃折射率的方法如下:
(1)把半圆形玻璃砖放在白纸上,定住其圆心O,在白纸上用铅笔描下其直径和圆心位置,让一束光沿与直径垂直的方向穿入玻璃砖的圆弧部分射到圆心O,如图所示。
(2)不改变入射光的方向和位置,让玻璃砖以O点为轴逆时针转动到从玻璃砖平面一侧恰好看不到出射光为止。
(3)用铅笔描下此时玻璃砖直径的位置,移去玻璃砖测出玻璃砖转过的角度β,由β计算出折射率。这种测量方法是利用光的________现象测定玻璃折射率的,当玻璃砖转过角度β时的入射角叫________。若已知β=42°,且sin42°=0.67,则玻璃的折射率n=________。
【解析】(3)该实验利用光的全反射现象测定玻璃的折射率。当玻璃砖转过角
度β时,由几何关系可知此时的入射角i=β。因为恰好看不到出射光线,所以
β=C,由sinC= ,得折射率n= ≈1.49。
答案:(3)全反射　临界角　1.49