第62讲 光学实验（练习）（解析版）-2025年高考物理一轮复习讲练测（新教材新高考）

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【题型一】实验一：测量玻璃砖的折射率
1．某同学利用等腰直角玻璃砖测玻璃的折射率。主要步骤如下：
①将白纸平铺在木板上，在白纸上画直线MN，将玻璃砖底边与MN重合，在纸上标记玻璃砖顶点a；
②将大头针竖直插在合适的位置，再移动大头针，用视线观察，在挡住和玻璃砖顶点a处竖直插入；
③移走玻璃砖和大头针，过作直线交MN于O点，用圆规以O为圆心、以Oa为半径画圆，交于b点，如图。
请接着完成后续实验步骤，算出玻璃的折射率n。
(1)在图中画出所需的辅助线，并标注相应的字母。
(2)玻璃折射率的计算公式为： 。（用相应字母符号表示）
(3)请提出一条减少实验误差的方案： 。
【答案】(1)
(2)
(3)改变插针位置，重复实验，多次测量取平均值
【详解】（1）如图所示，过作的垂线，过作的垂线，垂足为，过作的垂线，垂足为。
（2）玻璃折射率
计算公式为
（3）减少实验误差的方案：改变插针位置，重复实验，多次测量取平均值。
2．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和，交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴，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、，、是垂足，并用米尺分别测量、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 （填“偏大”“偏小”）
【答案】(1)B
(2)1.57
(3)不变
【详解】（1）A.入射角适当即可，不能太小，入射角太小，导致折射角太小，测量的误差会变大，故A错误；
B．激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差，故B正确；
C．相同的材料在各点的折射效果都一样，故C错误。
故选B。
（2）设半圆柱体玻璃砖的半径为，根据几何关系可得入射角的正弦值为
折射角的正弦值为
折射率
可知图像斜率大小等于折射率，即
（3）根据（2）中数据处理方法可知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不变。
3．某小组用“插针法”测平行玻璃砖的折射率，如图已确定好入射方向，AO与玻璃砖界面aa′的夹角为α，插了两枚大头针P1和P2，1、2、3、4分别是四条直线。
(1)在bb′侧调整观察视线，另两枚大头针P3和P4可能插在 线上（选填：“1”“2”“3”或“4”）；
(2)实验中画出入射点与出射点的连线，并测得连线与玻璃砖界面aa′的夹角为β，则玻璃砖的折射率n＝ ；
(3)若描出玻璃砖两边界线aa′、bb′后，不小心将玻璃砖沿OA方向平移了一些再进行实验，则折射率的测量值将 （选填“偏大”“不变”或“偏小”）。
【答案】(1)2
(2)
(3)不变
【详解】（1）由折射定律知，光线通过平行玻璃砖后平行且向一侧发生侧移，由于光线在上表面折射时，折射角小于入射角，则出射光线向左侧偏移，即可能在2上。
（2）由题可知，折射率为
（3）不小心将玻璃砖沿OA方向平移了，通过比较发现，入射角和折射角没有变化，则由可知，测得的折射率将不变。
4．如图甲所示，某同学通过实验测定半径为R的半圆柱形玻璃砖的折射率n，实验步骤如下：（ ）
a．把玻璃砖放到白纸上，使其直径与AB边重合，圆心与O点重合
b．取走玻璃砖，画出入射光线和出射光线延长线的交点与圆心O的连线
c．在水平放置的木板上铺一张白纸，用图钉固定
d．计算每次入射角和折射角的正弦值，建立直角坐标系，作出sini-sinr的关系图线，如图乙所示
e．用激光沿平行于OC方向射向直径面上的D点，用插针法确定出射光线通过直线OC上的F点
f．改变激光入射点D的位置，重复实验
g．用刻度值和铅笔画一条直线AB，再在合适的位置做AB的垂线OC，相交于O点
(1)实验步骤的正确顺序为 。
(2)该半圆柱形玻璃砖的折射率n= 。
(3)O、D两点之间的距离L与半径R的比值 时，恰好没有光线从球面射出。
【答案】(1)c、g、a、e、f、b、d
(2)1.5
(3)
【详解】（1）该实验的合理顺序为c、g、a、e、f、b、d
（2）根据折射率的计算可知
结合乙图可得
（3）发生全反射的临界条件为
结合几何知识可得
5．某实验小组要测量一半圆形玻璃砖的折射率。他们先在平铺的白纸上画出半圆形玻璃砖的直径ab和圆心O，过O点画法线，并画出一条入射光线cO，cO与法线的夹角为30°。将半圆形玻璃砖沿着直径放好，紧贴b点放置与法线平行的光屏，如图1所示。现用一红色激光笔沿着cO方向射入一束光，在光屏上的P点出现一个光斑。用刻度尺测出玻璃砖的半径为R，。
(1)玻璃砖的折射率 ；（结果用分数表示）
(2)若实验过程中，实验小组的同学不小心将玻璃砖向左下方平移，但入射光线仍能通过玻璃砖的圆心，如图2所示。在光屏上出现一个光斑，小组同学将此光斑仍记作P点，并在白纸上连接O、P两点作为出射光线，则此时测得的折射率 （选填“大于”“等于”或“小于”）真实值。
【答案】(1)
(2)大于
【详解】（1）由题意可知，入射角为30°，折射角与大小相等，且
根据折射定律可得玻璃砖的折射率
（2）作出光线的传播路径如图所示
点为实际光屏上出现的光斑点，由折射率和几何知识可知，出射光线与OP平行，连接作为出射光线，则折射角偏大，因此测得的折射率大于真实值。
【题型二】实验二：用双缝干涉测量光的波长
6．现有毛玻璃屏A、双缝、白光光源C、单缝和透红光的滤光片等光学元件，要把它们放在如图所示的光具座上组成双缝干涉装置，用以测量红光的波长。
(1)本实验的步骤有：
①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；
③用米尺测量双缝到屏的距离；
④用测量头（其读数方法同螺旋测微器）测量数条亮条纹间的距离。
在操作步骤②时还注意单缝、双缝应 。
(2)将测量头的分划板中心刻线与某亮条纹中心对齐，将该亮条纹定为第1条亮条纹，此时手轮上的示数如图甲所示，记下此时图甲手轮上的示数为 mm，然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮条纹中心对齐，记下此时图乙手轮上的示数为 mm，求得相邻亮条纹的间距Δx = mm。
(3)已知双缝间距d为2.0 × 10−4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，则所测红光波长为 nm。
【答案】(1)相互平行
(2) 2.320 13.870 2.310
(3)660
【详解】（1）单缝、双缝应相互平行，因为光是横波，不平行的细缝会阻断横波，影响光的传播。
（2）[1]甲的示数为
[2]乙的示数为
[3]相邻亮条纹的间距
（3）由得
7．在“用双缝干涉测光的波长”实验中（实验装置如图所示）：
(1)关于观察到的现象，下列说法正确的是（ ）
A．观察到白光的干涉图样是：可以看到彩色的干涉条纹，中央为一条白亮的零级干涉条纹；彩色条纹的排列，以零级亮条纹为中心左右对称，在第一级亮条纹中紫色在最外侧
B．看到白光的干涉条纹后，在单缝前面放上红色或绿色滤光片，即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，且红条纹的间距比绿条纹的间距大
(2)用某种单色光做双缝干涉实验时，已知双缝间的距离d的大小恰好是图中游标卡尺的读数为0.25mm，如图丁所示；双缝到毛玻璃间的距离的大小由图中的毫米刻度尺读出为748.8mm，如图丙所示；实验时先移动测量头（如图甲所示）上的手轮，把分划线对准靠近最左边的一条亮条纹（如图乙所示），并记下螺旋测微器的读数x1（如图戊所示），然后转动手轮，把分划线向右移动，直到对准第7条亮条纹并记下螺旋测微器的读数x2（如图己所示），由以上测量数据求得该单色光的波长为 m。
【答案】(1)B
(2)8.01 × 10−7
【详解】（1）A．观察到的白光的干涉图样是：可以看到彩色的干涉条纹，中央为一条白亮的零级干涉条纹；彩色条纹的排列，以零级亮条纹为中心左右对称，在第一级亮条纹中红色在最外侧，A错误；
B．放上红色或者绿色滤光片以后就变成单色的红光或者绿光，因此可以看见红黑或者绿黑的干涉条纹，由，红光的波长大，因此条纹间距大，B正确。
故选B。
（2）双缝的间距d = 0.25 mm，双缝到毛玻璃间的距离为l = 748.8 mm，螺旋测微器的读数
x1 = 0.01 × 30.0 mm = 0.300 mm
螺旋测微器读数
x2 = 14.5 mm + 0.01 × 20.0 mm = 14.700 mm
则相邻亮条纹的间距
根据得
8．在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上，如图1所示。双缝间距为d，毛玻璃光屏与双缝间的距离为L。从目镜中看到的干涉图样如图2所示，若A、B两条亮纹中央间距为x，则所测光的波长为 。（用所给物理量的字母表示）使分划板的中心刻线对齐A亮条纹的中心，此时游标卡尺上的示数情况如图3所示，其读数为 mm。
【答案】 9.15
【详解】[1]根据题意可知相邻两条纹间的间距为，根据得，光的波长为
[2]由图（3）可知，游标卡尺为20分度尺，其精确度为0.05 mm，则图（3）读数为
9．在“用双缝干涉测光的波长”实验中（实验装置如图1所示）：
(1)装置图中的甲、乙、丙分别是____。
A．滤色片、单缝和双缝B．双缝、单缝和滤色片
C．单缝、双缝和滤色片D．双缝、滤色片和双缝
(2)测量某亮纹位置时，手轮上的示数如图2所示，其示数为 mm。
(3)如果双缝间距是d，双缝到屏的距离是L，第1条亮纹中心到第6条亮纹中心的间距是x，则光波波长的测量值为 （用x、d、L表示）。
【答案】(1)A
(2)1.970
(3)
【详解】（1）装置图中的甲、乙、丙分别是滤色片、单缝和双缝。
故选A。
（2）示数为
（3）相邻两条亮纹间距为，则6条亮纹间距为
解得
根据
解得
10．在用“双缝干涉测量光的波长”的实验中，装置如图所示：
(1)双缝装置是图中的 （选填“A”或“B”）。
(2)某同学在观察时发现条纹比较模糊，可以通过调节 装置（填装置名称）。
(3)甲、乙两同学通过目镜，分别看到如图所示的甲、乙两种情形。由于条纹清晰，他们没有再进一步进行调节，而是直接进行测量，并根据公式算出波长，测量得到的波长准确的是 （选填“甲”或“乙”）。
【答案】(1)B
(2)拨杆
(3)甲
【详解】（1）[1]根据装置图的排列情况知，双缝装置是图中的B。
（2）[1]某同学在观察时发现条纹比较模糊，可以通过调节拨杆装置。
（3）[1]干涉条纹要与分划板中心刻线对齐，由图可知测量得到的波长准确的是甲。
11．（1）小朱同学在实验桌上看到方木板上有一张白纸，白纸上有如图甲所示的实验器材，他认为除了量角器外还缺少一种器材，请你写出所缺器材的名称： 。老师将器材配齐后，他进行实验，图乙是他在操作过程中的一个状态，透过玻璃砖观察，调整视线方向，插上第四枚大头针P4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 。
A．必须选用上下表面平行的玻璃砖
B．选择的入射角应尽量小些
C．大头针应垂直地插在纸面上
D．大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些
（3）小朱同学在量入射角和折射角时，由于没有量角器，在完成了光路图以后，用圆规以O点为圆心，OA为半径画圆，交OO′延长线于C点，过A点和C点作垂直法线的直线分别交于B点和D点，如图丙所示，若他测得AB=7.5cm，CD=5cm，则可求出玻璃的折射率n= 。
【答案】 刻度尺 P1、P2的像以及P3 CD 1.5
【详解】（1）[1]用插针法测量玻璃砖的折射率时，在实验中需要确定入射角和折射角，所以需要的器材有：玻璃砖一块，大头针四枚，白纸一张，除了量角器外还需要刻度尺；
[2]运用两点一线的原理确定光线方向，观察的这一侧插两枚大头针应使P4挡住P1、P2的像以及P3；
（2）[3]A．测量玻璃的折射率时即使折射玻璃上下表面不平行也能测出折射率，故A错误；
B．选择的入射角应尽量大一些，以减小测量误差，故B错误；
C．大头针应垂直地插在纸面上，防止产生误差，故C正确；
D．大头针P1和P2及P3和P4之间的距离适当大些，可减小确定光线时产生的误差，故D正确；
（3）[4]玻璃的折射率
12．（1）“测定玻璃的折射率”的实验中，在白纸上放好玻璃砖，aa′和bb′分别是玻璃砖与空气的两个界面，如图所示。在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，用“+”表示大头针的位置，然后在另一侧透过玻璃砖观察，并依次插上大头针P3和P4。在插P3和P4时，应使 （选填选项前的字母）。

A．P3只挡住P1的像 B．P4只挡住P2的像 C． P3同时挡住P1、P2的像
（2）为了减小实验误差，实验时应注意的是 。
A．入射角应尽量小些 B．玻璃砖的宽度宜小一些
C．大头针应垂直插在纸面上 D．大头针P1、P2之间的距离及大头针P3、P4之间的距离应适当大些
（3）某同学在画界面时，不小心将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃砖宽度大些，如下图所示，则他测得的折射率与真实值相比 （选填“偏大”、“偏小”、“不变”或“无法确定”）。

（4）某研究小组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做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，而且总使水平液面与直径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的像。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。

①图中M、N两位置对应的折射率大小关系为nM nN（填写“大于”、“等于”或者“小于”）
②若∠AOF=30°，则该仪器能够测量液体折射率的大小范围是 。
③沿KMNC，折射率刻度的特点是 （填写“刻度均匀”、”越来越密”或者“越来越疏”）
【答案】 C CD/DC 偏小 小于 1