2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第一册 4.1光的折射 课件（24张PPT）
文档属性
| 名称 | 2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第一册 4.1光的折射 课件（24张PPT） |  | |
| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 448.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-05-27 05:32:09 | ||
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文档简介
光的折射
实验必备·自主学习
一、实验目的
掌握测定玻璃折射率的方法。
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、三角板(或直尺)、铅笔。
实验过程·合作学习
【实验过程】
一、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。
7.用上述方法测出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角。
二、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 中求多次不同入射角时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
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,可以用画单位圆法。
(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)由图中关系 OE=OE′=R则 只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。
【误差分析】
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。
【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.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。
类型一 实验操作及误差分析
【典例1】(2019·天津高考)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
实验研析·创新学习
(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)采用插针法测定玻璃的折射率的时候,应选定光学表面间距大一些的玻璃砖,这样光路图会更加清晰,减小误差,同时两枚大头针的距离尽量大一些,保证光线的准确度,因此A、D正确;光学表面是否平行不影响该实验的准确度,因此B错误;应选用细的大头针,因此C错误。
(2)根据光的折射定律可知当选用平行的玻璃砖时出射光和入射光应是平行光,又发生了折射,因此出射光的出射点应相比入射光的延长线向左平移,因此D正确,A、B、C错误。
(3)由折射定律可知折射率
联立解得
答案:(1)A、D (2)D (3)
类型二 实验数据处理
【典例2】如图所示,某同学利用方格坐标纸测定半圆形玻璃砖的折射率,OA是画在纸上的直线,他在直线OA适当位置先后竖直插上P1、P2两枚大头针,如图放上玻璃砖(如粗黑线所示),然后插上P3、P4大头针。
(1)其中他确定P3大头针位置的方法应是:______________________________。?
(2)若该同学实验操作规范准确,其记录的情况如图所示。该同学还用圆规做了一个以O为圆心,半径与玻璃砖相同的半圆(如图中虚线所示)。
请您帮这位同学算出折射率n=_______。?
【解析】(1)透过玻璃砖看,P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像。
(2)由图可知,
答案:(1)见解析 (2)1.5
课堂检测·素养达标
1.(2020·德阳高二检测)在利用“插针法”测定玻璃的折射率实验中
(1)下列操作可以减小实验误差的是________(填字母代号)?
A.P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些
B.选择平行玻璃砖进行实验
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)正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图所示,此玻璃的折射率计算式为n=__________(用图中的α、β表示)?
【解析】(1)大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些时,相同的距离误差,引起的角度误差会减小,角度的测量误差会小些,故A正确;插针法测定折射率时,玻璃砖上下表面不一定要平行,故B错误;为了减小测量的相对误差,选择的入射角应尽量大些,效果会更好,故C正确;若有几块厚度不同的玻璃砖,应选用厚度较大一些的,故D错误。
(2)由图可知,入射角为90°-α,折射角为90°-β;则由折射定律可知:
答案:(1)A、C (2)
【加固训练】
“测定玻璃的折射率”实验中,在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A、B,在另一侧再竖直插两个大头针C、D。在插入第四个大头针D时,要使它________。如图所示是在白纸上留下的实验痕迹,其中直线a、a′是描在纸上的玻璃砖的两个边。根据该图可算得玻璃的折射率n=________。(计算结果保留两位有效数字)
【解析】确定出射光线时应使D挡住C和A、B的像,作图如图所示,
以O为圆心,OO′为半径作圆交AB于E点,根据 得 测量EF和O′P长度得n=1.8(1.6～1.9均正确,方法亦有多种)。
答案:挡住C及A、B的像 1.8(1.6～1.9都算对)
2.如图甲所示为光学实验用的长方体玻璃砖,它的________面不能用手直接接触。在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中,两位同学绘出的玻璃砖和三个针孔a、b、c的位置相同,且插在c位置的针正好挡住插在a、b位置的针的像,但最后一个针孔的位置不同,分别为d、e两点,如图乙所示。计算折射率时,用______(选填“d”或“e”)点得到的值较小,用______(选填“d”或“e”)点得到的值误差较小。?
【解析】实验用的光学玻璃砖的光学面不能用手接触,以防止损坏其光学面。如图所示,连接cd、ce并延长分别交玻璃砖于O1、O2点,并连接OO1、OO2,入射角i相同,折射角∠O′OO2<∠O′OO1,由 得,折射角越大的,求得的折射率越小,即d点得到n值较小。由图可得,ce与ab近似平行,故用e点得到的值误差小。
答案:光学 d e
3.(2020·广元高二检测)学校开展研究性学习,某研究小组的同学根据所学的光学知识,设计了一个测量液体折射率的仪器。如图所示,在一个圆盘上,过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF。在半径OA上,垂直盘面插上两枚大头针P1、P2并保持P1、P2位置不变。每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中,而且总使得液面与直径BC相平,EF作为界面的法线,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。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。则:
(1)若∠AOF=30°,OP3与OC的夹角为30°,则P3处所刻折射率的值为_________。?
(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处对应的折射率值应为____________。?
【解析】(1)由题图看出,入射角为i=∠AOF=30°,折射角r=∠EOP3=60°,则P3处所对应的折射率的值为
(2)根据折射定律, ,可知P4处对应的折射率较大。
(3)作AO的延长线交圆周于K,这种情况下折射角与入射角相等,则知K处所对应的折射率的值是1。
答案:(1) (2)P4 (3)1
实验必备·自主学习
一、实验目的
掌握测定玻璃折射率的方法。
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、三角板(或直尺)、铅笔。
实验过程·合作学习
【实验过程】
一、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。
7.用上述方法测出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角。
二、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 中求多次不同入射角时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
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,可以用画单位圆法。
(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)由图中关系 OE=OE′=R则 只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n。
【误差分析】
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。
【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.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。
类型一 实验操作及误差分析
【典例1】(2019·天津高考)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
实验研析·创新学习
(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)采用插针法测定玻璃的折射率的时候,应选定光学表面间距大一些的玻璃砖,这样光路图会更加清晰,减小误差,同时两枚大头针的距离尽量大一些,保证光线的准确度,因此A、D正确;光学表面是否平行不影响该实验的准确度,因此B错误;应选用细的大头针,因此C错误。
(2)根据光的折射定律可知当选用平行的玻璃砖时出射光和入射光应是平行光,又发生了折射,因此出射光的出射点应相比入射光的延长线向左平移,因此D正确,A、B、C错误。
(3)由折射定律可知折射率
联立解得
答案:(1)A、D (2)D (3)
类型二 实验数据处理
【典例2】如图所示,某同学利用方格坐标纸测定半圆形玻璃砖的折射率,OA是画在纸上的直线,他在直线OA适当位置先后竖直插上P1、P2两枚大头针,如图放上玻璃砖(如粗黑线所示),然后插上P3、P4大头针。
(1)其中他确定P3大头针位置的方法应是:______________________________。?
(2)若该同学实验操作规范准确,其记录的情况如图所示。该同学还用圆规做了一个以O为圆心,半径与玻璃砖相同的半圆(如图中虚线所示)。
请您帮这位同学算出折射率n=_______。?
【解析】(1)透过玻璃砖看,P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像。
(2)由图可知,
答案:(1)见解析 (2)1.5
课堂检测·素养达标
1.(2020·德阳高二检测)在利用“插针法”测定玻璃的折射率实验中
(1)下列操作可以减小实验误差的是________(填字母代号)?
A.P1、P2及P3、P4之间的距离适当大些
B.选择平行玻璃砖进行实验
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)正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图所示,此玻璃的折射率计算式为n=__________(用图中的α、β表示)?
【解析】(1)大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些时,相同的距离误差,引起的角度误差会减小,角度的测量误差会小些,故A正确;插针法测定折射率时,玻璃砖上下表面不一定要平行,故B错误;为了减小测量的相对误差,选择的入射角应尽量大些,效果会更好,故C正确;若有几块厚度不同的玻璃砖,应选用厚度较大一些的,故D错误。
(2)由图可知,入射角为90°-α,折射角为90°-β;则由折射定律可知:
答案:(1)A、C (2)
【加固训练】
“测定玻璃的折射率”实验中,在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A、B,在另一侧再竖直插两个大头针C、D。在插入第四个大头针D时,要使它________。如图所示是在白纸上留下的实验痕迹,其中直线a、a′是描在纸上的玻璃砖的两个边。根据该图可算得玻璃的折射率n=________。(计算结果保留两位有效数字)
【解析】确定出射光线时应使D挡住C和A、B的像,作图如图所示,
以O为圆心,OO′为半径作圆交AB于E点,根据 得 测量EF和O′P长度得n=1.8(1.6～1.9均正确,方法亦有多种)。
答案:挡住C及A、B的像 1.8(1.6～1.9都算对)
2.如图甲所示为光学实验用的长方体玻璃砖,它的________面不能用手直接接触。在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中,两位同学绘出的玻璃砖和三个针孔a、b、c的位置相同,且插在c位置的针正好挡住插在a、b位置的针的像,但最后一个针孔的位置不同,分别为d、e两点,如图乙所示。计算折射率时,用______(选填“d”或“e”)点得到的值较小,用______(选填“d”或“e”)点得到的值误差较小。?
【解析】实验用的光学玻璃砖的光学面不能用手接触,以防止损坏其光学面。如图所示,连接cd、ce并延长分别交玻璃砖于O1、O2点,并连接OO1、OO2,入射角i相同,折射角∠O′OO2<∠O′OO1,由 得,折射角越大的,求得的折射率越小,即d点得到n值较小。由图可得,ce与ab近似平行,故用e点得到的值误差小。
答案:光学 d e
3.(2020·广元高二检测)学校开展研究性学习,某研究小组的同学根据所学的光学知识,设计了一个测量液体折射率的仪器。如图所示,在一个圆盘上,过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF。在半径OA上,垂直盘面插上两枚大头针P1、P2并保持P1、P2位置不变。每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中,而且总使得液面与直径BC相平,EF作为界面的法线,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。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。则:
(1)若∠AOF=30°,OP3与OC的夹角为30°,则P3处所刻折射率的值为_________。?
(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处对应的折射率值应为____________。?
【解析】(1)由题图看出,入射角为i=∠AOF=30°,折射角r=∠EOP3=60°,则P3处所对应的折射率的值为
(2)根据折射定律, ,可知P4处对应的折射率较大。
(3)作AO的延长线交圆周于K,这种情况下折射角与入射角相等,则知K处所对应的折射率的值是1。
答案:(1) (2)P4 (3)1