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第十四章光學(xué)實(shí)驗(yàn)十七測量玻璃的折射率測定玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)往年考查較少,新高考該內(nèi)容作為必考后,考查重要性增強(qiáng),主要考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和數(shù)據(jù)處理能力.2023年高考中廣東T11,海南T14均在實(shí)驗(yàn)題中進(jìn)行了考查,預(yù)計(jì)2025年高考中會(huì)加大對該實(shí)驗(yàn)的考查力度.1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康臅?huì)用插針法確定玻璃的折射率,掌握光在發(fā)生折射時(shí),入射角和折射角的確定方法.2.實(shí)驗(yàn)原理如圖所示,abcd為一個(gè)兩面平行的玻璃磚,入射角為θ1,折射角為θ2,根據(jù)n=sinθ1sin3.實(shí)驗(yàn)器材木板、白紙、玻璃磚、大頭針、圖釘、刻度尺、量角器、鉛筆.4.實(shí)驗(yàn)步驟(1)在白紙上畫出一條直線aa'作為界面,過aa'上的一點(diǎn)O1畫出界面的法線NN',并畫一條直線AO1作為入射光線,如圖所示.(2)把長方體玻璃磚放在白紙上,使它的一個(gè)長邊與aa'對齊.用直尺輕靠在玻璃磚的另一長邊,按住直尺不動(dòng).將玻璃磚取下,畫出直線bb',bb'代表玻璃磚的另一邊.(3)在直線AO1上豎直插上兩枚大頭針P1、P2,透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像,調(diào)整視線方向,直到P2擋住P1的像.再在觀察的這一側(cè)豎直插上兩枚大頭針P3、P4,使P3擋住P1、P2的像,P4擋住P3及P1、P2的像,記下P3、P4的位置.(4)連接P3、P4,交bb'于點(diǎn)O2,連接O1O2,O1O2就代表了沿AO1方向入射的光線在玻璃磚中的傳播路徑,入射角θ1=∠AO1N,折射角θ2=∠O2O1N'.5.數(shù)據(jù)分析(1)計(jì)算法:用量角器測量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sinθ1和sinθ2.算出不同入射角時(shí)的sinθ1sinθ2,并取[1](2)圖像法:改變不同的入射角θ1,測出不同的折射角θ2,作出sinθ1-sinθ2的圖像,由n=sinθ1sinθ2可知圖像應(yīng)是過[2](3)“單位圓”法:以入射點(diǎn)O為圓心,以一定的長度R為半徑畫圓,交入射光線AO于E點(diǎn),交折射光線OO'于E'點(diǎn),過E作NN'的垂線EH,過E'作NN'的垂線E'H',如圖所示,sinθ1=EHOE,sinθ2=E'H'OE',OE=OE'=R,則n=sinθ1sinθ26.注意事項(xiàng)(1)所用玻璃磚要厚一些.(2)盡可能將大頭針豎直插在紙上,且P1與P2間、P3與P4間要有適當(dāng)?shù)拈g隔,不宜太近.(3)在實(shí)驗(yàn)過程中,玻璃磚與白紙的位置都不能改變.(4)操作時(shí)不能用手觸摸玻璃磚光潔的光學(xué)面,更不能用玻璃磚代替直尺畫線,以免劃傷玻璃磚表面.(5)實(shí)驗(yàn)時(shí)入射角不能太?。ń咏?°),否則會(huì)使測量誤差增大;入射角也不能太大(接近90°),否則不易觀察到P1、P2的像.7.誤差分析(1)入射光線、出射光線確定的準(zhǔn)確性造成誤差,故入射側(cè)、出射側(cè)所插兩枚大頭針間距應(yīng)大一些.(2)入射角和折射角的測量造成誤差,故入射角適當(dāng)大些,以減小測量的相對誤差.命題點(diǎn)1教材基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1.[2023安徽蕪湖二模]在“測定玻璃的折射率”的實(shí)驗(yàn)中,在白紙上放好平行玻璃磚,a和a'分別是玻璃磚與空氣的兩個(gè)界面,如圖(a)所示.在玻璃磚的一側(cè)插上兩枚大頭針P1和P2,然后在另一側(cè)透過玻璃磚觀察,并插上大頭針P3,使其擋住P2、P1的像;接著插上大頭針P4,使其擋住P3以及P2和P1的像,用“·”表示大頭針的位置,這樣大頭針P1、P2就確定了射入玻璃磚的光線.(1)根據(jù)以上信息,請?jiān)趫D(a)中畫出光路圖.(2)正確作出光路圖后,測量a分界面上的入射角i和折射角r.多次改變?nèi)肷浣?,測得多組入射角和折射角,根據(jù)測得的入射角和折射角的正弦值,畫出了如圖(b)所示的圖像,由圖像可知該玻璃的折射率n=1.5(保留兩位有效數(shù)字).(3)如圖(c)所示,在實(shí)驗(yàn)過程中畫出界面a后,不小心將玻璃磚向上平移了一些,導(dǎo)致界面a'畫到圖中虛線位置,而在作光路圖時(shí)界面a仍為開始所畫的,則所測得的折射率將偏大(填“偏大”“偏小”或“不變”).答案(1)如圖所示解析(2)根據(jù)折射定律n=sinisinr,所以sinr=1n·sini,根據(jù)圖像得1n=(3)如圖所示,在實(shí)驗(yàn)過程中畫出界面a后,不小心將玻璃磚向上平移了一些,導(dǎo)致界面a'畫到圖中虛線位置,而在作光路圖時(shí)界面a仍為開始所畫的,入射角i不變,但折射角r偏小,則所測得的折射率將偏大.命題點(diǎn)2創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2.[2023海南]如圖所示,在用激光測玻璃磚折射率的實(shí)驗(yàn)中,玻璃磚與光屏P平行放置,從另一側(cè)用激光筆以一定角度照射,此時(shí)在光屏上的S1處有激光點(diǎn),移走玻璃磚,光點(diǎn)移到S2處.(1)請?jiān)趫D中畫出激光束經(jīng)玻璃磚折射后完整的光路圖;(2)已經(jīng)測出AB=l1,OA=l2,S1S2=l3,則折射率n=l1(l1-l3)2+l22((3)若改用寬度比ab更小的玻璃磚做實(shí)驗(yàn),則S1S2間的距離會(huì)變?。ㄌ睢白兇蟆薄白冃 被颉安蛔儭保?答案(1)如圖所示解析(1)穿過平行玻璃磚的出射光線和入射光線平行,過S1作BS2的平行線,交ad于C點(diǎn),連接OC.(2)根據(jù)幾何關(guān)系可知,入射角的正弦值sini=l1l12+l22,折射角的正弦值sinr=(3)若玻璃磚的寬度變小,ad邊與兩條光線的交點(diǎn)距離變小,即BC變小,則S1S2間的距離也會(huì)變小.1.[2024北京豐臺(tái)區(qū)開學(xué)考試]某同學(xué)用插針法測定玻璃磚的折射率,作出光路圖如圖所示.光線與玻璃磚表面aa'和bb'分別交于O點(diǎn)和P點(diǎn),他以O(shè)點(diǎn)為圓心、線段OP長度為半徑作圓,該圓與入射光線交于A點(diǎn).過A點(diǎn)和P點(diǎn)作法線NN'的垂線,垂足分別為B點(diǎn)和Q點(diǎn),則該玻璃磚的折射率為(A)A.n=ABPQ B.n=OBOQ C.n=PQOA D.解析根據(jù)光的折射定律有n=sin∠AOBsin∠POQ=ABR2.如圖甲所示,在測量玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)中,兩位同學(xué)先在白紙上放好截面是正三角形ABC的三棱鏡,并確定AB和AC界面的位置,然后在棱鏡的左側(cè)畫出一條直線,并在線上豎直插上兩枚大頭針P1和P2,再從棱鏡的右側(cè)觀察P1和P2的像.(1)此后正確的操作步驟是BD.A.插上大頭針P3,使P3擋住P2的像B.插上大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像C.插上大頭針P4,使P4擋住P3的像D.插上大頭針P4,使P4擋住P1、P2的像和P3(2)正確完成上述操作后,在紙上標(biāo)出大頭針P3、P4的位置(圖中已標(biāo)出).為測量該種玻璃的折射率,兩位同學(xué)分別用圓規(guī)及刻度尺作出了完整光路和若干條輔助線,如圖乙、丙所示.能夠僅通過測量ED、FG的長度便可正確計(jì)算出折射率的是圖丙(選填“乙”或“丙”),所測玻璃折射率的表達(dá)式為n=EDFG(用代表線段長度的字母ED、FG表示)解析(1)此后正確的操作步驟是:插上大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像;插上大頭針P4,使P4擋住P1、P2的像和P3.故B、D正確.(2)能夠僅通過測量ED、FG的長度便可正確計(jì)算出折射率的是題圖丙,n=sinθ1sinθ23.[2023湖北八校聯(lián)考模擬]在用“插針法”測量玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)中:(1)在“用兩面平行的玻璃磚測定玻璃折射率”的實(shí)驗(yàn)中,其實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1所示,對實(shí)驗(yàn)中的一些具體問題,下列說法正確的是BC.A.為減小作圖誤差,P3和P4的距離應(yīng)適當(dāng)小一些B.為減小測量誤差,P1和P2的連線與玻璃磚界面法線的夾角應(yīng)適當(dāng)取大一些C.為減小誤差,應(yīng)當(dāng)選用寬度較大的玻璃磚完成實(shí)驗(yàn)D.實(shí)驗(yàn)中玻璃磚在紙上的位置不可移動(dòng),可用玻璃磚代替尺子畫出邊界線以固定玻璃磚在紙上的位置(2)甲同學(xué)在紙上正確畫出玻璃磚的兩個(gè)界面aa'和bb'后,不小心碰了玻璃磚使它向aa'一側(cè)平移了少許,如圖2所示,他隨后實(shí)驗(yàn)測得的折射率不變(選填“偏大”“偏小”或“不變”).(3)乙同學(xué)在畫界面時(shí),不小心將兩界面aa'、bb'間距畫得比玻璃磚寬度大些(bb'仍然與aa'平行),如圖3所示,他隨后實(shí)驗(yàn)測得的折射率偏小(選填“偏大”“偏小”或“不變”).解析(1)為減小作圖誤差,P3和P4的距離應(yīng)適當(dāng)大一些,A錯(cuò)誤;P1和P2的連線與玻璃磚界面法線的夾角適當(dāng)大一些,折射現(xiàn)象更明顯,誤差較小,B正確;寬度較大的玻璃磚,光在玻璃磚中的路程長,入射點(diǎn)與出射點(diǎn)距離較大,確定角度較準(zhǔn)確,誤差較小,C正確;不可用玻璃磚代替尺子,應(yīng)沿玻璃磚描點(diǎn)后,用尺子畫出玻璃磚界面,D錯(cuò)誤.(2)如圖甲分析,測量的入射角與折射角沒有誤差,測得的折射率不變.圖甲圖乙(3)如圖乙分析,入射角不受影響,當(dāng)折射角的測量值大于真實(shí)值時(shí),根據(jù)n=sinisin4.[實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新]通過動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生們提高對物理實(shí)驗(yàn)的理解和應(yīng)用能力.如圖所示,一個(gè)學(xué)生用廣口瓶和刻度尺測定水的折射率,請?zhí)顚懴率鰧?shí)驗(yàn)步驟中的空白.(1)用刻度尺測出廣口瓶瓶口內(nèi)徑d.(2)在瓶內(nèi)裝滿水.(3)將刻度尺沿瓶口邊緣豎直插入水中.(4)沿廣口瓶邊緣向水中刻度尺正面看去,若恰能看到刻度尺的0刻度(即圖中A點(diǎn)),同時(shí)看到水面上B點(diǎn)刻度的像B'恰與A點(diǎn)的像重合,如圖,水面與直尺的C點(diǎn)相平,則∠OAC和∠OB'C(或∠OBC)分別等于入射角和折射角.(5)讀出AC和AB(或BC)的
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