高中物理教科版4第四章光的折射 第4章2學(xué)生實(shí)驗(yàn)測定玻璃的折射率

2．學(xué)生實(shí)驗(yàn)：測定玻璃的折射率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y定玻璃的折射率．二、實(shí)驗(yàn)原理用插針法確定光路，找出與入射光線相對應(yīng)的玻璃中的折射光線，用量角器測出入射角i和折射角r，根據(jù)折射定律計(jì)算出玻璃的折射率n＝sini/sinr.三、實(shí)驗(yàn)器材兩對面平行的玻璃磚一塊，大頭針?biāo)拿?，白紙一張，直尺一把或三角板一個(gè)，量角器一個(gè)．一、實(shí)驗(yàn)步驟1．先在白紙上畫一條直線EE′，代表兩種介質(zhì)的分界面；再畫出一直線段AB代表入射光線；然后畫出分界面上B點(diǎn)處的法線NN′，如圖4-2-1所示．測定玻璃的折射率圖4-2-12．把長方形玻璃磚放在白紙上，使它的一個(gè)長邊與EE′對齊．用直尺或三角板輕靠在玻璃磚的另一長邊，按住直尺或三角板不動(dòng)，將玻璃磚取下，畫出直線FF′代表玻璃磚的另一邊．3．在直線AB上豎直地插上兩枚大頭針G1、G2，放回玻璃磚，然后透過玻璃磚觀察大頭針G1、G2的像，調(diào)整視線方向，直到G1的像被G2擋住．4．再在觀察的這一側(cè)豎直地插上兩枚大頭針G3、G4，用G3擋住G1和G2的像，用G4擋住G3以及G1、G2的像．5．移去大頭針和玻璃磚，過G3、G4的插點(diǎn)畫直線CD，與FF′相交于C點(diǎn)，直線CD就表示沿直線AB入射的光線透過玻璃磚后的光線．連接BC，BC就是玻璃磚內(nèi)折射光線的路徑．6．用量角器測出入射角i和折射角r，從三角函數(shù)表中查出它們的正弦值．7．通過上面的步驟分別測出入射角為15°、30°、45°、60°、75°時(shí)的折射角，并查出它們相應(yīng)的正弦值．二、數(shù)據(jù)處理及誤差分析此實(shí)驗(yàn)是通過測量入射角和折射角，然后查數(shù)學(xué)用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入n＝eq\f(sini,sinr)中求玻璃的折射率．除運(yùn)用此方法之外，還有以下處理數(shù)據(jù)的方法．1．處理方法一在找到入射光線和折射光線以后，以入射點(diǎn)O為圓心，以任意長為半徑畫圓，分別與AO交于C點(diǎn)，與OO′(或OO′的延長線)交于D點(diǎn)，過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．如圖4-2-2所示．圖4-2-2由于sini＝eq\f(CC′,CO)，sinr＝eq\f(DD′,DO)，而CO＝DO，所以折射率：n1＝eq\f(sini,sinr)＝eq\f(CC′,DD′).重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，求得各次折射率計(jì)算值，然后求其平均值即為玻璃磚折射率的測量值．2．處理方法二根據(jù)折射定律可得n＝eq\f(sini,sinr).因此有sinr＝eq\f(1,n)sini.根據(jù)所量得的角度的正弦值作出sinr－sini圖像，如圖4-2-3所示，則圖線的斜率的倒數(shù)即為折射率．這樣也可以減小誤差．圖4-2-3設(shè)斜率為k，則k＝eq\f(1,n)，所以n＝eq\f(1,k).三、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，同側(cè)兩針之間的距離要稍大些．2．入射角應(yīng)適當(dāng)大些，以減小測量角度的誤差，但也不宜太大，入射角太大，在玻璃磚的另一側(cè)會(huì)看不清大頭針的像．3．操作時(shí)不要用手觸摸玻璃磚的光滑光學(xué)面，更不能把玻璃磚界面當(dāng)尺子畫界線．4．在實(shí)驗(yàn)過程中，玻璃磚與白紙的相對位置不能改變．5．玻璃磚應(yīng)選擇寬度較大的，一般要求在5cm以上，若寬度太小，則測量誤差較大．6．入射點(diǎn)應(yīng)盡量靠近玻璃磚上界面的左側(cè)，使之在玻璃磚的另一側(cè)能夠找到對應(yīng)的出射光線．實(shí)驗(yàn)探究1實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)處理用圓弧狀玻璃磚做測定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在白紙上放好圓弧狀玻璃磚，在玻璃磚的一側(cè)豎直插上兩枚大頭針P1、P2，然后在玻璃磚的另一側(cè)觀察，調(diào)整視線使P1的像被P2的像擋住，接著在眼睛所在的一側(cè)插兩枚大頭針P3和P4，使P3擋住P1和P2的像，P4擋住P3以及P1和P2的像，在紙上標(biāo)出大頭針位置和圓弧狀玻璃磚輪廓如圖4-2-4甲所示(O為兩圓弧圓心，圖中已畫出經(jīng)過P1、P2點(diǎn)的入射光線)．(1)在圖上補(bǔ)畫出所需的光路；(2)為了測出玻璃的折射率，需要測量入射角和折射角，請?jiān)趫D中的AB分界面上畫出這兩個(gè)角；(3)多次改變?nèi)肷浣牵瑴y得幾組入射角和折射角，根據(jù)測得的入射角和折射角的正弦值，畫出了如圖4-2-4乙所示的圖像，由圖像可知該玻璃的折射率n＝________.圖4-2-4【解析】(1)連接P3、P4與CD交于一點(diǎn)，此交點(diǎn)即為光線從玻璃磚中射出的位置，又由于P1、P2的連線與AB的交點(diǎn)即為光線進(jìn)入玻璃磚的位置，連接兩點(diǎn)即可作出玻璃磚中的光線，如圖所示．(2)連接O點(diǎn)與光線在AB上的入射點(diǎn)即為法線，作出入射角和折射角如圖中i、r所示．(3)圖像的斜率k＝eq\f(sini,sinr)＝n，由題意乙可知斜率為，即玻璃的折射率為.【答案】(1)見解析圖(2)見解析圖(3)某同學(xué)由于沒有量角器，在完成了光路圖以后，以O(shè)點(diǎn)為圓心，cm長為半徑畫圓，分別交線段OA于A點(diǎn)，交O和O′連線延長線于C點(diǎn)，過A點(diǎn)作法線NN′的垂線AB交NN′于B點(diǎn)，過C點(diǎn)作法線NN′的垂線CD交NN′于D點(diǎn)，如圖4-2-5所示，用刻度尺量得OB＝cm，CD＝cm，由此可得出玻璃的折射率n＝________.圖4-2-5【解析】sinθ1＝AB/AO，sinθ2＝CD/OC，而n＝sinθ1/sinθ2＝eq\f(AB,AO)·eq\f(OC,CD)，因?yàn)锳O＝OC，所以n＝AB/CD＝eq\r(102－82)/4＝.【答案】實(shí)驗(yàn)探究2實(shí)驗(yàn)誤差的分析在利用插針法測定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)中：(1)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′方向平移了少許，如圖4-2-6所示．則他測出的折射率將________(填“偏大”“偏小”或“不變”)；(2)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，如圖4-2-6乙所示，則他測得的折射率________(填“偏大”“偏小”或“不變”)．圖4-2-6【解析】(1)如圖甲所示，甲同學(xué)利用插