4.2 科学测量：玻璃的折射率-高二物理鲁科版选择性必修第一册同步课件(共27张PPT)

(共27张PPT)
第四章 光及其应用
实验：测量玻璃的折射率
教学目标
CONTENT
01
02
03
知道实验的注意事项，会进行实验的误差分析
会对数据进行处理
掌握测量折射率的原理和步骤
新课引入
真的是钻石吗？
材料的折射率是光学材料的重要指标。
例如，在制造汽车挡风玻璃时，对折射率和形状都有十分严格的要求;
在钻石鉴定过程中，常常根据折射率的大小来判断钻石的真伪。
根据折射定律可以测量玻璃的折射率。
汽车挡风玻璃
（1）测量玻璃的折射率。
（2）学习用插针法确定光路。
木板、白纸、玻璃砖、大头针、量角器、刻度尺、铅笔。
实验目的：
实验器材：
如图所示，用插针法确定光路，找出跟入射光线对应的出射光线，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 n ＝ sin i /sin r 。
实验原理与设计：
i
r
进行实验与搜集证据：
1.在白纸上画一直线aa'作为界面，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。
2.把长方形玻璃砖放在白纸上，并使其长边与aa'重合，再用刻度尺画出玻璃砖的另一边bb'。
3.在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2。
4.从玻璃砖bb'一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线的方向直到P1的像被P2的像挡住。再在bb'一侧插上两枚大头针P3 、 P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P3本身及P1、P2的像。
5.移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置，过P3、P4作直线交bb'于点O'。连接OO'， OO'就是玻璃砖内折射光线的方向。∠AON为入射角，∠O'ON'为折射角。
1.计算法
用量角器测量入射角i和折射角r，并查出其正弦值sin i和sin r。
算出不同入射角时的 ，并取平均值。
2.作sin i -sin r图像
改变不同的入射角i，测出不同的折射角r，作sin i-sin r图像，
由n= 可知图像应为直线，如图所示，
其斜率为玻璃的折射率。
数据处理与分析：
sin i
sin r
3．单位圆法
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′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 ＝
而CO ＝ DO，所以折射率：n1 ＝ ＝
重复以上实验，求得各次折射率计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值。
1.用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面，严禁把玻璃砖当尺子画玻璃砖的另一边bb′.
2.实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动.
3.大头针应竖直地插在白纸上，且玻璃砖每两枚
大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一点，
以减小确定光路方向时造成的误差.
4.实验时入射角不宜过小，否则会使测量误差过
大，入射角也不宜过大，否则在bb′一侧将看不到
P1、P2的像.
注意事项：
5.由于要多次改变入射角重复实验，所以入射光线与出射光线要一 一编号，以免混乱.
6.玻璃砖应选用宽度较大的，宜在5 cm以上，
若宽度太小，则测量误差较大.
实验视频：
典例精析
例1、一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）.现要测定此玻璃砖的折射率.给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（P1、P2、P3、P4）、带有刻度的直角三角板、量角器.实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直.在纸上画出直线aa′和bb′，aa′表示镀银的玻璃表面，bb′表示另一表面，如图所示.然后，在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2（位置如图）.用P1、P2的连线表示入射光线.
（1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针
P3、P4？试在题图中标出P3、P4的位置.
（2）然后，移去玻璃砖与大头针.试在题图中通过
作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角θ1与
折射角θ2.简要写出作图步骤.
（3）写出用θ1、θ2表示的折射率公式n= .
解析：（1）在bb′一侧观察P1、P2（经bb′折射，aa′反射，再经bb′折射）的像，在适当的位置插上P3，使得P3与P1、P2的像在一条直线上，即让P3挡住P1、P2的像；再插上P4，让它挡住P1 、 P2的像和P3. P3、P4的位置如图所示.
（1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针P3、P4？试在题图中标出P3、P4的位置.
（2）然后，移去玻璃砖与大头针.试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角θ1与折射角θ2.简要写出作图步骤.
（3）写出用θ1、θ2表示的折射率公式n= .
解析： （2）①过P1、P2作直线与bb′交于O；
②过P3、P4作直线与bb′交于O′；
③利用刻度尺找到OO′的中点M；
④过O点作bb′的垂线CD，过M点作bb′的垂线
与aa′相交于N，如图所示，连接ON；
⑤∠P1OD=θ1，∠CON=θ2.
（3）由折射率的定义可得
例2、 如图所示，在一薄壁圆柱体玻璃烧杯中，盛上水或其他透明液体，中间竖直插入一根细直铁丝，沿水平方向观看，会发现铁丝在液面处出现折断现象，这是光的折射现象形成的.阅读上述材料，回答下列问题：
（1）①若把铁丝插在 位置，无论沿水平方向从什么方向看，铁丝均无折断现象；
②如图所示的情景，与实际观察到的情况相符的是（其中O为圆心） .
圆心O处
BC
（2）利用上述现象，用毫米刻度尺、三角板、三根细直铁丝，可测液体折射率.
实验步骤是：
①实验如图所示，用刻度尺测量找出烧杯直径AB，并把刻度尺在刻度线的边缘与AB重合后固定并测出半径R.
②将一根细铁丝竖直固定于B处，用三角板找出过圆心O的垂直AB的直线，交杯缘于C，把一根细铁丝竖直固定于C点.
③ .
④ .
⑤ .
完成上面的实验步骤，填在相应横线上.
（3）利用上面的测量值，推算出折射率n的表达式（要有推算过程）.
解析：（2）③把另一根铁丝紧靠直尺AB边移动，使其折射像与C处、B处的铁丝三者重合.
④测出铁丝距B（或A）的距离.
⑤求出折射率.
（3）由上面实验步骤知，P′是铁丝在P时的像，PC为入射光线，θ1、θ2为对应的入射角和折射角，如图所示，故液体的折射定律得
一、实验目的
三、实验原理与设计
课堂小结
二、实验器材
四、实验步骤
五、数据分析、实验结论
如图所示，用插针法测定玻璃折射率的实验中，以下各说法中正确的是（ ）
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.入射角太大，折射光线会在玻璃砖的内表面发生全反射，
使实验无法进行
跟踪练习
解析：折射光线是通过隔着玻璃砖观察成一条直线确定的，大头针间的距离太小，引起的角度会较大，故P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以提高准确度．A正确、B错误；入射角适当大些，相应的折射角也增大，折射现象较明显，容易测量些，C正确；由于光通过玻璃砖时，各相关角度是互相制约着的，在平行玻璃砖中，其出射角恒等于入射角，而对于入射的界面，光线是从光疏介质射入光密介质，折射角必小于入射角，当入射角趋于最大值90°时，折射角也趋于最大值C（临界角），而对于出射的界面，在玻璃砖内的折射光线的入射角最大值也只能为C，根据光路可逆原理，出射角最大值也趋于90°，即始终能透过玻璃砖看到入射光线，D错.
答案：AC
2.在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三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和③所示，其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖，乙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
（填“偏大”“偏小”或“不变”）乙同学测得的折射率与真实值相比 （填“偏大”“偏小”或“不变”）.丙同学测得的折射率与真实值相比 （填“偏大”“偏小”或“不变”）.
解析：用图①测定折射率时，玻璃中折射光线偏折的偏大，故折射角偏大，折射率偏小；
用图②测折射率时，只要操作正确，与玻璃砖形状无关；
用图③测折射率时，无法确定折射光线偏折的大小，所以测得的折射率可大、可小、可不变.
答案 ：偏小 不变 可能偏大、可能偏小、可能不变
3.用“插针法”测定透明半圆柱玻璃砖的折射率，O为玻璃砖截面的圆心，使入射光线跟玻璃砖的平面垂直，如图所示的四个图中P1、P2、P3和P4是四个学生实验插针的结果.
（1）在这四个图中肯定把针插错了的是 .
（2）在这四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 .
解析 （1）垂直射入半圆柱玻璃砖平面的光线，经玻璃砖折射后，折射光线不能与入射光线平行（过圆心的光线除外），A错.
（2）测量较准确的是图D，因B图的入射光线经过圆心，出射光线没有发生折射，C图的入射光线离圆心太近，射到圆界面上时，入射角太小不易测量，会产生较大的误差. 测量出入射角θ1与折射角θ2后，由折射定律求出折射率
答案 （1）A （2）D
本节内容结束