教科版高中物理选择性必修第一册第四章光及其应用第2节实验：测定玻璃的折射率课件（42页PPT）

(共42张PPT)
[学习目标]
1.掌握测量折射率的原理及方法。
2.会用插针法确定光路、测量玻璃的折射率，具备相关的实验能力。
用插针法确定光路，找出与入射光线相应的出射光线，就能在玻璃砖中画出对应的折射光线，从而可以测出一组对应的入射角和折射角，根据折射定律，便可求出玻璃的折射率。
[实验原理]
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉、量角器、直尺、铅笔。
[实验器材]
[实验操作]
1.先在白纸上画一条直线EE′，代表两种介质的分界面；再画出一直线段AB代表入射光线；然后画出分界面上B点处的法线NN′，如图所示。
2.把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边与EE′对齐。用直尺或三角板轻靠在玻璃砖的另一长边，按住直尺或三角板不动，将玻璃砖取下，画出直线FF′代表玻璃砖的另一边。
3.在直线AB上竖直地插上两枚大头针G1、G2，放回玻璃砖，然后透过玻璃砖观察大头针G1、G2的像，调整视线方向，直到G1的像被G2挡住。
4.再在观察的这一侧竖直地插上两枚大头针G3、G4，用G3挡住G1和G2的像，用G4挡住G3以及G1、G2的像。
5.移去大头针和玻璃砖，过G3、G4的插点画直线CD，与FF′相交于C点，直线CD就表示沿直线AB入射的光线透过玻璃砖后的光线。连接BC，BC就是玻璃砖内折射光线的路径。
6.用量角器测出入射角i和折射角r，从三角函数表中查出它们的正弦值。
7.通过上面的步骤分别测出入射角为15°、30°、45°、60°、75°时的折射角，并查出它们相应的正弦值。
[数据处理]
处理方法一
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′(或OO′的延长线)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。
处理方法二
[误差分析]
1.误差来源：本实验误差的主要来源是测量光在玻璃中的折射角的误差。
2.减小误差的方法
(1)选用宽度较大的玻璃砖，玻璃砖宽度宜在5 cm以上，若宽度太小则测量误差较大。
(2)入射角宜在15°～75°范围内取值。
(3)在纸上画EE′、FF′两条线时，应尽量准确地与玻璃砖的两个平行的折射面重合，这样，两交点B、C才能与光线的实际入射点较好地相符，否则将使画出的玻璃中的光路与实际情况偏离严重。
[注意事项]
1.实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，同侧两针之间的距离要稍大些。
2.入射角应适当大些，以减小测量角度的误差，但也不宜太大，入射角太大，在玻璃砖的另一侧会看不清大头针的像。
3.操作时不要用手触摸玻璃砖的光滑光学面，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.入射点应尽量靠近玻璃砖上界面的左侧，使之在玻璃砖的另一侧能够找到对应的出射光线。
题型一　教材原型实验
[例1]　在通过“插针法”测定玻璃的折射率实验中：
(1)关于该实验(甲图)，有以下操作步骤：
A.摆好玻璃砖，确定玻璃砖上、下边界aa′，bb′；
B.任意画出一条入射光线，在光路上插上大头针P1、P2；
C.在确定P3、P4位置时，应使P3挡住P1、P2的像，P4挡住________________；
D.在确定P3、P4位置时，二者距离应适当________(选填“近”或“远”)些，以减小误差。
(3)小丹同学在实验中虽测出了入射角和折射角。但苦于无法得知非特殊角的正弦值，不能准确计算出折射率，她利用实验室提供的圆规和刻度尺，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，如图丙所示，则玻璃的折射率为________(选填比例式前的字母)。
(2)如图乙所示，过P3、P4，作直线交bb′于O′，过O′作垂直于bb′的直线NN′，连接OO′。用量角器测量图乙中角α＝30°和β＝60°的大小，则玻璃的折射率n＝________。
[例2]　在利用“插针法”测定玻璃的折射率实验中。
(1)(多选)下列操作可以减小实验误差的是________。
A.P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些
B.入射角适当小些
C.入射角适当大些
D.若有几块厚度不同的玻璃砖，应选用厚度较小的
(2)实验中，一位学生在纸上正确画出了玻璃砖的两个折射面aa′和bb′。因不慎碰动了玻璃砖，使它向aa′方向平移了一点(如图1所示)，以后的操作都正确无误，并仍以aa′和bb′为折射面画出了光路图，这样测出的折射率n的值将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
(3)实验中，另一位学生为了避免笔尖触划玻璃砖的折射面，画出的aa′和bb′都比实际的折射面向外侧平移了一些(如图2所示)以后的操作都正确无误，并仍以aa′和bb′为折射面画出了光路图，这样测出的折射率n的值将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
答案　(1)AC　(2)不变　(3)偏小
解析　(1)P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些，可以减小在确定光线方向时的误差，A正确；入射角适当大些可减小测量角度时的误差，B错误，C正确；若有几块厚度不同的玻璃砖，应选用厚度较大的，可减小确定光线方向时的误差，D错误。
(2)如图甲所示，实线表示玻璃砖向上平移后实际的光路图，虚线表示作图光路图，由图看出，画图时的入射角、折射角与实际的入射角、折射角相等，由折射定律可知，测出的折射率不变。
(3)如图乙所示，乙同学画出的aa′和bb′都比实际侧面向外侧平移了一些，但在画光路图时，将入射点、出射点分别确定在aa′、bb′上，实线表示实际的光路图，虚线表示乙同学画图时的光路图，可见入射角测量没有误差，而折射角偏大，则根据折射定律得知，测出的折射率n将偏小。
A.用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和a′
B.在玻璃砖一侧插上大头针P1、P2，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使P2 把P1的像挡住，这样就可以确定入射光线和入射点O1。在眼睛这一侧，插上大头针P3，使它把P1、P2的像都挡住，再插上大头针P4，使它把P1、P2的像和P3都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点O2
C.实验时入射角θ1应尽量小一些，以减小实验误差
[例3]　(2024·安徽卷)某实验小组做“测量玻璃的折射率”及拓展探究实验。
(1)为测量玻璃的折射率，按如图甲所示进行实验，以下表述正确的一项是________(选填正确答案标号)。
(2)为探究介质折射率与光的频率的关系，分别用一束红光和一束绿光从同一点入射到空气与玻璃的分界面。保持相同的入射角，根据实验结果作出光路图，并标记红光和绿光，如图乙所示。此实验初步表明：对于同一种介质，折射率与光的频率有关。频率大，折射率________(选填“大”或“小”)。
(3)为探究折射率与介质材料的关系，用同一束激光分别入射玻璃砖和某透明介质，如图丙、丁所示。保持相同的入射角α1，测得折射角分别为α2、α3(α2<α3)，则玻璃和该介质的折射率大小关系为n玻璃________(选填“＞”或“＜”)n介质。此实验初步表明：对于一定频率的光，折射率与介质材料有关。
答案　(1)B　(2)大　(3)＞
解析　(1)在白纸上画出一条直线a作为界面，把长方体玻璃砖放在白纸上，使它的一个长边与a对齐。用直尺或者三角板轻靠在玻璃砖的另一长边，按住直尺或三角板不动，将玻璃砖取下，画出直线a′代表玻璃砖的另一边，而不能用笔在白纸上沿着玻璃砖上边和下边分别画出直线a和a′，故A错误；在玻璃砖一侧插上大头针P1、P2，眼睛在另一侧透过玻璃砖看两个大头针，使P2把P1的像挡住，这样就可以确定入射光线和入射点O1。在眼睛这一侧，插上大头针P3，使它把P1、P2的像都挡住，再插上大头针P4，使它把P1、P2的像和P3都挡住，这样就可以确定出射光线和出射点O2，故B正确；实验时入射角θ1应尽量大一些，但也不能太大(接近90°)，以减小实验误差，故C错误。
[例4]　(2025·四川德阳一诊)用圆弧状玻璃砖做测定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，其中O为两圆弧圆心，图中已画出经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)用所测物理量计算折射率的公式为n＝________。
(4)为了保证在弧面CD得到出射光线，实验过程中，光线在弧面AB的入射角应适当________(选填“小一些”“无所谓”或“大一些”)。
(5)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)(2)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，由于P1、P2的连线与AB的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接两交点即可作出玻璃砖中的光路，如图所示。
1.某同学测定玻璃砖的折射率，准备了下列器材：激光笔、直尺、刻度尺、一面镀有反射膜的平行玻璃砖。如图所示，直尺与玻璃砖平行放置，激光笔发出的一束激光从直尺上O点射向玻璃砖的上表面，在直尺上观察到A、B两个光点，读出O、A间的距离为20.00 cm，A、B间的距离为6.00 cm，测得图中直尺到玻璃砖上表面距离d1＝10.00 cm，玻璃砖的厚度d2＝4.00 cm。由以上数据可知，玻璃的折射率n＝________，光在玻璃砖中的传播速度v＝________m/s(光在真空中的传播速度c＝3.0×108 m/s，均保留两位有效数字)。
答案　1.2　2.5×108
2.(2024·浙江6月选考)如图所示，用“插针法”测量一等腰三角形玻璃砖(侧面分别记为A和B、顶角大小为θ)的折射率。
①在白纸上画一条直线ab，并画出其垂线cd，交于O点；
②将侧面A沿ab放置，并确定侧面B的位置ef；
③在cd上竖直插上大头针P1和P2，从侧面B透过玻璃砖观察P1和P2，插上大头针P3，要求P3能挡住________(选填“P1”“P2”或“P1和P2”)的虚像；
④确定出射光线的位置________(选填“需要”或“不需要”)第四枚大头针；
⑤撤去玻璃砖和大头针，测得出射光线与直线ef的夹角为α，则玻璃砖折射率n＝________。
3.(2025·湖北武汉武昌区期末)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)某同学先将白纸平铺在木板上并用图钉固定，如图甲所示，玻璃砖平放在白纸上，然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa′和bb′。在玻璃砖的一侧插入两枚大头针P1、P2。眼睛在另一侧透过玻璃砖看P1和P2，使P1的像被P2的像挡住，在眼睛这一侧再插入第三枚大头针P3，使它把________的像挡住，再透过玻璃砖观察，调整视线方向，插上第四枚大头针P4时应使其遮挡住________。
(2)为取得较好的实验效果，下列操作正确的是________(多选，选填选项前字母)。
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
(3)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针孔如图所示，其中实验操作正确的是________。
(4)某同学在P1、P2所在的直线上取一点A，将光线的出射点记为O′，用圆规以光线的入射点O为圆心，OA为半径画圆，交OO′延长线于C点，过A点和C点作垂直入射光线法线的直线，垂足分别为B点和D点，如图乙所示，若他测得AB＝7.5 cm，CD＝5 cm，则可求出该玻璃砖的折射率n＝________。
答案　(1)P1和P2　P1、P2的像以及P3　(2)AD　(3)D　(4)1.5
解析　(2)为了使作图误差更小，应选用两光学表面间距大的玻璃砖，A正确；根据折射定律可知，如果两个光学面不平行，不影响入射角与折射角的值，所以对折射率的测定结果不产生影响，B错误；为了准确测量光路图，应选用较细的大头针来完成实验，若选用粗的大头针完成实验，容易出现观察误差，从而造成测量误差，C错误；插在玻璃砖同侧的两枚大头针之间的距离应适当大些，引起的角度误差会减小，D正确。
(3)选用的玻璃砖两光学表面平行，则入射光线应与出射光线平行，B、C错误；又光线在玻璃砖中与法线的夹角应小于光线在空气中与法线的夹角，A错误，D正确。
4.(2024·湖北卷)某同学利用激光测量半圆柱体玻璃砖的折射率，具体步骤如下：
①平铺白纸，用铅笔画两条互相垂直的直线AA′和BB′，交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴AA′，并使其圆心位于O点，画出玻璃砖的半圆弧轮廓线，如图(a)所示。
②将一细激光束沿CO方向以某一入射角射入玻璃砖，记录折射光线与半圆弧的交点M。
③拿走玻璃砖，标记CO光线与半圆弧的交点P。
④分别过M、P作BB′的垂线MM′、PP′，M′、P′是垂足，并用米尺分别测量MM′、PP′的长度x和y。
⑤改变入射角，重复步骤②③④，得到多组x和y的数据。根据这些数据作出y－x图像，如图(b)所示。
(1)关于该实验，下列说法正确的是________(单选，填标号)。
A.入射角越小，误差越小
B.激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差
C.选择圆心O点作为入射点，是因为此处的折射现象最明显
(2)根据y－x图像，可得玻璃砖的折射率为________(保留三位有效数字)。
(3)若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径，则折射率的测量结果________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
答案　(1)B　(2)1.57　(3)不变
5.(2023·海南卷)用激光测玻璃砖折射率的实验中，玻璃砖与光屏P平行放置，从另一侧用激光笔以一定角度照射，此时在屏上的S1处有激光点，移走玻璃砖，光点移到S2处，回答下列问题。
(1)请画出激光束经玻璃砖折射后完整的光路图。
(2)已经测出AB＝l1，OA＝l2，S1S2＝l3，则折射率n＝________(用l1、l2、l3表示)。
(3)若改用宽度比ab更小的玻璃砖做实验，则S1S2间的距离会________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
解析　(1)根据题意画出光路图如图甲所示。
(3)若改用宽度比ab更小的玻璃砖做实验，
则画出光路图如图乙所示，可看出S1S2间的距离变小。
6.(2023·广东卷)某同学用激光笔和透明长方体玻璃砖测量玻璃的折射率，实验过程如下：
(1)将玻璃砖平放在水平桌面上的白纸上，用大头针在白纸上标记玻璃砖的边界。
(2)①激光笔发出的激光从玻璃砖上的M点水平入射，到达EF面上的O点后反射到N点射出。用大头针在白纸上标记O点、M点和激光笔出光孔Q的位置；
②移走玻璃砖，在白纸上描绘玻璃砖的边界和激光的光路，作QM连线的延长线与EF面的边界交于P点，如图甲所示；
③用刻度尺测量PM和OM的长度d1和d2。PM的示数如图乙所示，d1为________cm，测得d2为3.40 cm。