人教版(新教材)高中物理選擇性必修1學(xué)案1：實(shí)驗(yàn)：測(cè)量玻璃的折射率

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊(cè)PAGEPAGE1實(shí)驗(yàn)：測(cè)定玻璃的折射率〖實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)〗1.知道測(cè)量玻璃的折射率的原理、方法和步驟。2.會(huì)確定入射光線、折射光線、入射角及折射角。3.學(xué)會(huì)用不同方法計(jì)算玻璃的折射率。〖實(shí)驗(yàn)探究〗一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1．實(shí)驗(yàn)方案如圖所示，當(dāng)光以一定的入射角透過(guò)一塊兩面平行的玻璃磚時(shí)，只要找出與入射光線AO相對(duì)應(yīng)的出射光線O′B即可。2．實(shí)驗(yàn)原理用插針?lè)ù_定光路，找出跟入射光線相對(duì)應(yīng)的折射光線，用量角器測(cè)入射角θ1和折射角θ2，根據(jù)折射定律計(jì)算出玻璃的折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。3．實(shí)驗(yàn)器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針?biāo)拿丁D釘四枚、量角器、三角板(或直尺)、鉛筆。二、實(shí)驗(yàn)步驟1．如圖所示，將白紙用圖釘釘在平木板上。2．在白紙上畫出一條直線aa′作為界面(線)。過(guò)aa′上的一點(diǎn)O畫出界面的法線NN′，并畫一條線段AO作為入射光線。3．把長(zhǎng)方形玻璃磚放在白紙上，使它的長(zhǎng)邊跟aa′對(duì)齊，畫出玻璃磚的另一邊bb′。4．在直線AO上豎直插上兩枚大頭針P1、P2，透過(guò)玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像，調(diào)整視線方向直到P2的像擋住P1的像。再在觀察者一側(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。5．移去大頭針和玻璃磚，過(guò)P3、P4所在處作直線O′B與bb′交于O′，直線O′B就代表了沿AO方向入射的光線通過(guò)玻璃磚后的傳播方向。6．連接OO′入射角θ1＝∠AON，折射角θ2＝∠O′ON′，用量角器量出入射角和折射角，從三角函數(shù)表中查出它們的正弦值，把這些數(shù)據(jù)記錄在自己設(shè)計(jì)的表格中。7．用上述方法求出入射角分別為30°、45°、60°時(shí)的折射角，查出它們的正弦值，填入表格中。8．算出不同入射角時(shí)的比值eq\f(sinθ1,sinθ2)，最后求出在幾次實(shí)驗(yàn)中所測(cè)eq\f(sinθ1,sinθ2)的平均值，即為玻璃磚的折射率。三、數(shù)據(jù)處理處理方式一：在找到入射光線和折射光線以后，以入射點(diǎn)O為圓心，以任意長(zhǎng)為半徑畫圓，分別與AO交于C點(diǎn)，與OO′(或OO′的延長(zhǎng)線)交于D點(diǎn)，過(guò)C、D兩點(diǎn)分別向NN′作垂線，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的長(zhǎng)，如圖甲所示。甲乙由于sinθ1＝eq\f(CC′,CO)，sinθ2＝eq\f(DD′,DO)，而CO＝DO，所以折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(CC′,DD′)。重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，求得各次折射率的計(jì)算值，然后求其平均值即為玻璃磚折射率的測(cè)量值。處理方式二：根據(jù)折射定律可得n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)因此有sinθ2＝eq\f(1,n)sinθ1。在多次改變?nèi)肷浣?、測(cè)量相對(duì)應(yīng)的入射角和折射角正弦值基礎(chǔ)上，以sinθ1值為橫坐標(biāo)、以sinθ2值為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系如圖乙所示，描數(shù)據(jù)點(diǎn)，過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)連線得到一條過(guò)原點(diǎn)的直線。求解圖線斜率，設(shè)斜率為k，則k＝eq\f(1,n)，故玻璃磚折射率n＝eq\f(1,k)。四、注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡可能將大頭針豎直插在紙上，且大頭針之間及大頭針與光線轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的距離要稍大一些。2．入射角θ1應(yīng)適當(dāng)大一些，以減小測(cè)量角度的誤差，但入射角不宜太大。3．在操作時(shí)，手不能觸摸玻璃磚的光學(xué)面，更不能把玻璃磚界面當(dāng)尺子畫界線。4．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，玻璃磚與白紙的相對(duì)位置不能改變。5．玻璃磚應(yīng)選用寬度較大的，宜在5cm以上。若寬度太小，則測(cè)量誤差較大。五、實(shí)驗(yàn)誤差1．入射光線和出射光線確定的不夠精確。因此要求插大頭針時(shí)兩大頭針間距應(yīng)稍大。2．入射角、折射角測(cè)量的不精確。為減小測(cè)角時(shí)的相對(duì)誤差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大時(shí)，反射光較強(qiáng)，折射光會(huì)相對(duì)較弱?！嫉淅觥筋愋鸵粚?shí)驗(yàn)原理與操作例1如圖1所示，某同學(xué)在“測(cè)量玻璃的折射率”的實(shí)驗(yàn)中，先將白紙平鋪在木板上并用圖釘固定，玻璃磚平放在白紙上，然后在白紙上確定玻璃磚的界面aa′和bb′。O為直線AO與aa′的交點(diǎn)。在直線OA上豎直地插上P1、P2兩枚大頭針。圖1圖2圖3(1)該同學(xué)接下來(lái)要完成的必要步驟有________。A．插上大頭針P3，使P3僅擋住P2的像B．插上大頭針P3，使P3擋住P1的像和P2的像C．插上大頭針P4，使P4僅擋住P3D．插上大頭針P4，使P4擋住P3和P1、P2的像(2)過(guò)P3、P4作直線交bb′于O′，過(guò)O′作垂直于bb′的直線NN′，連接OO′。測(cè)量圖中角α和β的大小，則玻璃磚的折射率n＝________。(3)如圖2所示，該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中將玻璃磚界面aa′和bb′的間距畫得過(guò)寬。若其他操作正確，則折射率的測(cè)量值________準(zhǔn)確值(選填“大于”“小于”或“等于”)。(4)該同學(xué)準(zhǔn)確的畫好玻璃磚界面aa′和bb′后，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不慎將玻璃磚向下平移了一些。如圖3所示，若其他操作正確，則折射率的測(cè)量值________準(zhǔn)確值(選填“大于”“小于”或“等于”)。類型二數(shù)據(jù)處理與分析例2如圖所示，某同學(xué)用插針?lè)y(cè)量一半圓形玻璃磚的折射率。在平鋪的白紙上垂直于紙面插大頭針P1、P2確定入射光線，并讓入射光線過(guò)圓心O，在玻璃磚(圖中實(shí)線部分)另一側(cè)垂直紙面插大頭針P3，使P3擋住P1、P2的像，連接OP3，圖中MN為分界面，虛線半圓與玻璃磚對(duì)稱，B、C分別是入射光線、折射光線與圓的交點(diǎn)，AB、CD均垂直于法線并分別交法線于A、D點(diǎn)。(1)設(shè)AB的長(zhǎng)度為l1，AO的長(zhǎng)度為l2，CD的長(zhǎng)度為l3，DO的長(zhǎng)度為l4，為較方便地表示出玻璃磚的折射率，需用刻度尺測(cè)量________，則玻璃磚的折射率可表示為_(kāi)_______。(2)該同學(xué)在插大頭針P3前不小心將玻璃磚以O(shè)為圓心順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一小角度，由此測(cè)得玻璃磚的折射率將________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。類型三創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)例3某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量液體折射率的儀器，如圖所示。在一個(gè)圓形木盤上過(guò)其圓心O作兩條相互垂直的直徑BC、EF，在半徑OA上垂直圓盤面插下兩枚大頭針P1、P2并保持P1、P2的位置不變，每次測(cè)量時(shí)，讓圓盤的BFC部分豎直浸入液體中，而且使液面與直徑BC相平，EF為界面的法線，而后在圖中右上方區(qū)域觀察P1、P2的像，并在圓周上插上大頭針P3，使P3正好擋住P1、P2的像。同學(xué)們通過(guò)計(jì)算，預(yù)先在圓周EC部分刻好了折射率的值。這樣只要根據(jù)P3所插的位置，就可直接讀出液體折射率的值。(1)若∠AOF＝30°，OP3與OC的夾角為30°，則P3處所對(duì)應(yīng)的折射率的值為_(kāi)_______。(2)圖中P3、P4兩位置哪一處所對(duì)應(yīng)的折射率值大？________。(3)作AO的延長(zhǎng)線交圓周于K，K處所對(duì)應(yīng)的折射率的值應(yīng)為_(kāi)_______。

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖典例精析〗例1〖答案〗(1)BD(2)eq\f(sinβ,sinα)(3)小于(4)等于〖解析〗(1)該同學(xué)接下來(lái)要完成的必要步驟有：確定P3大頭針的位置，方法是插上大頭針P3，使P3能擋住P1、P2的像。確定P4大頭針的位置，方法是大頭針P4能擋住P3和P1、P2的像。故該同學(xué)接下來(lái)要完成的必要步驟有B、D。(2)根據(jù)折射定律得：玻璃磚的折射率為n＝eq\f(sinβ,sinα)。(3)將玻璃磚界面aa′和bb′的間距畫得過(guò)寬但仍平行，而其他操作正確，導(dǎo)致α角偏大，由于n＝eq\f(sinβ,sinα)，故折射率的測(cè)量值將偏小。(4)如圖所示，實(shí)線表示將玻璃磚向下平移后實(shí)際的光路圖，而虛線是作圖時(shí)所采用的光路圖，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，入射角和折射角沒(méi)有變化，則由折射定律得知，該同學(xué)測(cè)得的折射率將不變。例2〖答案〗(1)l1和l3n＝eq\f(l1,l3)(2)偏大〖解析〗(1)sini＝eq\f(l1,BO)，sinr＝eq\f(l3,CO)，因此玻璃的折射率n＝eq\f(sini,sinr)＝eq\f(\f(l1,BO),\f(l3,CO))＝eq\f(l1,l3)，因此只需測(cè)量l1和l3即可。(2)當(dāng)玻璃磚順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角度時(shí)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，認(rèn)為l1是不變的，即入射角不變，而l3減小，所以測(cè)量值n＝eq\f(l1,l3)將偏大。例3