新教材高考物理一轮复习第13章光学电磁波相对论实验18测量玻璃的折射率课件

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1.实验目的测定玻璃的折射率,掌握光发生折射的入射角和折射角的确定方法。2.实验原理用插针法找出与入射光线AO对应的出射光线O'B,确定出O'点,画出折射光线OO',然后测量出角θ1和θ2,根据 计算玻璃的折射率。θ1为空气中的角,θ2为玻璃中的角3.实验器材白纸、图钉、大头针、刻度尺、铅笔、量角器、平木板、长方形玻璃砖。

4.实验步骤(1)铺白纸、画线①如图所示,将白纸用图钉按在绘图板上,先在白纸上画出一条直线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把平行玻璃转平放在白纸上,使它的长边跟aa'对齐,画出玻璃砖的另一条长边bb'。
(2)插针与测量①在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2,透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像,调整视线的方向,直到P1的像被P2挡住,再在观察的这一侧依次插两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P1、P2的像及P3,记下P3、P4的位置。 P3、P4连线即为光线AO的出射光线②移开玻璃砖连接P3、P4并延长交bb'于O',连接OO'即为折射光线,入射角θ1=∠AON,折射角θ2=∠O'ON'。③用量角器测出入射角和折射角,查出它们的正弦值。④改变入射角θ1,重复实验,记录相关测量数据。
5.数据处理(1)计算法:计算每次折射率n,求出平均值 。(2)图像法(如图所示)　　 (3)单位圆法(如图所示)
6.误差分析(1)入射光线、出射光线确定的准确性造成误差,故在入射侧和出射侧所插两枚大头针的间距应大一些。(2)入射角和折射角的测量造成误差。入射角应适当大一些,可以减小测量的相对误差。
典例1.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
(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下图所示,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) 
答案 (1)AD　(2)D　(3)解析 (1)在插针法测定玻璃的折射率实验中,使用两光学面间距大的玻璃砖能更准确地确定玻璃砖内光线的位置,有利于减小实验误差,而两光学面是否平行对测量折射率没有影响,选项A正确,B错误;插针时要求后插的针挡住先插的针或先插的针的像,故选用细一点的大头针能更准确地确定光线位置,提高实验精确度,选项C错误;实验中是根据同侧两枚大头针的连线来确定入射光线或出射光线,故距离大些更好,选项D正确。
(2)由题图可知实验使用的是平行玻璃砖,故出射光线应该与入射光线平行,选项A出射光线与入射光线在同一直线上,选项B、C中出射光线与入射光线不平行,故只有选项D正确。
典例2.(2023河南平顶山龙河实验高级中学模拟)实验室有一块长方体透明介质,截面如图中ABCD所示。AB的长度为l1,AD的长度为l2,且AB和AD边透光,而BC和CD边不透光,且射到这两个边的光线均被全部吸收。现让一平行光束以入射角θ1射到AB面上,经折射后AD面上有光线射出,甲、乙两同学分别用不同方法测量该长方体介质的折射率。
(1)甲同学的做法是:保持射到AB面上光线的入射角不变,用遮光板由A点沿AB缓慢推进,遮光板前端推到P时,AD面上恰好无光线射出,测得AP的长度为l3,则长方体介质的折射率可表示为n=　　　　　　　; (2)乙同学的做法是:缓慢调节射到AB上光线的入射角,使AD面恰好无光线射出,测得此时射到AB面上光线的入射角为θ2,则长方体介质的折射率可表示为n=　　　　; (3)θ1和θ2的关系为θ1　　　　(选填“<”“>”或“=”)θ2。 
(3)因为光在AB面的折射角越小,光在AD面的入射角就越大,而光在AB面的入射角越小,光在AB面的折射角就越小,故应减小AB面的入射角才能使光线在AD面发生全反射,因此θ1>θ2。
1.(2022重庆渝北期中)某同学用“插针法”测量玻璃的折射率,所用玻璃砖两面平行。正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图甲所示。
(1)某同学操作不慎,将规则的玻璃砖倾斜一定角度后,仍准确记下玻璃砖的四个分界面,如图乙,其他操作完全正确,则玻璃砖折射率的测量值与真实值相比　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)。 (2)另一同学已记录好了玻璃砖的两个分界面,操作不慎,将玻璃砖的位置稍微向下平行移动了一小段距离,如图丙,其他操作完全正确,则玻璃砖折射率的测量值与真实值相比　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)。 (3)如图丁利用“插针法”测量不平行玻璃砖折射率。实验数据处理采用如下方法:以入射点O为圆心,取一合适的长度为半径作圆,该圆与入射光线PO交于M点,与折射光线OO'的延长线交于F点,过M、F点分别向法线作垂线,其垂足分别为N、E,现测得lMN=1.68 cm,lEF=1.12 cm,则该玻璃砖的折射率n=　　　　。 
答案 (1)不变　(2)不变　(3)1.5解析 (1)虽然将规则的玻璃砖倾斜一定角度,但准确记下玻璃砖的四个分界面,能准确得到入射光线与折射光线,因此玻璃砖折射率的测量值与真实值相等。
2.(2022四川雅安期中)(1)在测量玻璃的折射率时,实验室提供了多种形状的玻璃砖供同学们使用,某实验小组使用两种不同形状的玻璃砖进行实验,他们在纸上画出的界面aa'、bb'与玻璃砖位置的关系分别如图甲中1、2所示,他们的其他操作均正确,下列说法正确的是　　　　。 A.学习小组没有量角器和圆规,利用刻度尺和三角板也可以测出玻璃砖的折射率B.光线从矩形玻璃砖上表面入射后,再从下表面射出,可能在下表面发生全反射C.图1测得的折射率比真实值小D.图2测得的折射率比真实值大
(2)另一个实验小组使用半圆柱玻璃砖测量玻璃的折射率,他们的操作步骤如下:A.用毫米刻度尺量出半圆柱玻璃砖的直径d,然后确定圆心的位置,记在玻璃砖上;B.在白纸上画一条直线作为入射光线,并在入射光线上插两枚大头针P1和P2;C.让入射光线与玻璃砖的直径垂直,入射光线经过圆心O;D.以垂直于纸面过圆心O的直线为轴,缓慢逆时针转动玻璃砖,同时调整视线方向,直到从玻璃砖下方恰好看不到P2和P1的像,然后沿半圆柱玻璃砖的直径画一条直线AB,过O画AB的垂线与半圆交于C点,过圆上的C点作垂直于P1P2延长线的直线交P1P2延长线于D,如图乙所示。
①看不到P2和P1的像是因为发生了　　　　。 ②只使用毫米刻度尺,且计算简洁,还需要测量　　　　(选填“OD”或“CD”)的长度,记作l。 ③玻璃砖的折射率的表达式n=　　　。 
解析 (1)在入射光线和折射光线上取两个离入射点较远的点,分别向法线作垂线,用刻度尺量出入射角和折射角的对角和斜边的长度,求出入射角和折射角的正弦值,根据折射定律计算出折射率,故A正确;由于上下表面平行,光线从上表面射入下表面射出,入射角等于出射角且小于90°,则不可能在下表面发生全反射,故B错误;在题图1中,通过作图的方法,根据几何关系可知,所得到的光在介质中的折射角偏大,则所测得的折射率偏小,故C正确;在题图2中,只要操作正确,测量结果与玻璃砖的形状无关,测得的折射率等于真实值,故D错误。
(2)①从玻璃砖下方恰好看不到P2和P1的像,则P2和P1的像是发生了全反射。
3.(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。 (3)利用所测量的物理量,写出玻璃砖折射率的表达式n=　　　　。由测得的数据可得折射率n为　　　　。(结果保留3位有效数字)