1、实验15 测定玻璃的折射率,-2-,一、实验目的 1.测定玻璃的折射率。 2.学会用插针法确定光路。 二、实验原理 实验原理如图所示,当光线AO1以一定的入射角1穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找出跟入射光线AO1对应的出射光线O2B,从而找出折射光线O1O2和折射角2,再根据 ,求出玻璃的折射率。,-3-,三、实验器材 木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、刻度尺、铅笔。 四、实验步骤 1.如图所示,把白纸铺在木板上。,-4-,2.在白纸上画一直线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。 3.把长方形玻璃砖放在白纸上,并使其长边与aa重合,再用刻
2、度尺画出玻璃砖的另一边bb。 4.在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2。 5.从玻璃砖bb一侧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的像挡住。再在bb一侧插上两枚大头针P3、P4,使P3能挡住P1、P2的像,P4能挡住P3本身及P1、P2的像。 6.移去玻璃砖,在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们的位置,过P3、P4作直线OB交bb于O。连接O、O,OO就是玻璃砖内折射光线的方向。AON为入射角,OON为折射角。 7.改变入射角,重复实验。,-5-,五、数据处理 1.计算法 用量角器测量入射角1和折射角2,并查出其正弦值sin 1和sin 2。算出
3、不同入射角时的 ,并取平均值。 2.作sin 1-sin 2图像 改变不同的入射角1,测出不同的折射角2,作sin 1-sin 2图像,由n= 可知图像应为直线,如图所示,其斜率为折射率。,-6-,3.辅助线段法 利用刻度尺作辅助线,测出辅助线的长度大小,求玻璃的折射率。,-7-,4.单位圆法,-8-,六、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。入射角应适当大些,可以减小测量的相对误差。,-9-,七、注意事项 1.实验时,应尽可能将大头针竖直插在纸上,且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O、
4、P3与O之间距离要稍大一些。 2.入射角1不宜太大(接近90),也不宜太小(接近0)。当1太大时,反射光较强,出射光较弱;当1太小时,入射角、折射角测量的相对误差较大。 3.操作时,手不能触摸玻璃砖的光洁光学面,更不能把玻璃砖界面当作尺子画界线。 4.实验过程中,玻璃砖与白纸的相对位置不能改变。 5.玻璃砖应选用宽度较大的,宜在5 cm以上,若宽度太小,则测量误差较大。,-10-,考点一,考点二,实验原理与操作 例1在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
5、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,答案,解析,-11-,考点一,考点二,例2在测定玻璃的折射率实验中,某同学经正确操作插好了4枚大头针,如图甲所示。,-12-,考点一,考点二,(1)在图丙中画出完整的光路图。(2)对你画出的光路图进行测量和计算,求得该玻璃砖的折射率n= (保留三位有效数字)。 (3)为了观测光在玻璃砖不同表面的折射现象,某同学做了两次实验,经正确操作插好了8枚大头针,如图乙所示。图中P1和P2是同一入射光线上的2枚大头针,其对应出射光线上的2枚大头
6、针是P3和 (选填“A”或“B”)。,-13-,考点一,考点二,解析：(1)如图a所示。,-14-,考点一,考点二,(3)光路图如图b所示,光线经两边沿相互平行的玻璃砖,出射光线平行于入射光线,即MNP4B。P1P2光线从棱镜右边侧面射出向底边偏折,如图b中P3A,所以填A。,答案： (1)见解析图a (2)1.53(1.501.56均正确) (3)A,-15-,考点一,考点二,数据处理与误差分析 例3某同学利用“插针法”测定玻璃的折射率,所用的玻璃砖两面平行。正确操作后,作出的光路图及测出的相关角度如图所示。(1)此玻璃的折射率计算式为n= (用图中的1、2表示)。 (2)如果有几块宽度大小
7、不同的平行玻璃砖可供选择,为了减小误差,应选用宽度 (选填“大”或“小”)的玻璃砖来测量。,答案,解析,-16-,考点一,考点二,例4如图所示,某同学为了测量截面为正三角形的三棱镜玻璃的折射率,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的左侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的右侧观察到P1的像和P2的像,当P1的像恰好被P2的像挡住时,插上大头针P3和P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P1、P2的像和P3。在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示。,-17-,考点一,考点二,(1)画出对应的光路。 (2)为了测出三棱镜玻璃材料的折射率,若以AB作为分界面,需要测量的量是 和 ,在图上标出它们。
8、(3)三棱镜玻璃材料折射率的计算公式是n= 。 (4)若在测量过程中,放置三棱镜的位置发生了微小的平移(移至图中的虚线位置,底边仍重合),则以原AB作为分界面,三棱镜材料折射率的测量值 (选填“大于”“小于”或“等于”)三棱镜玻璃材料折射率的真实值。,-18-,考点一,考点二,解析：(1)连接P1P2交AB于M,连接P3P4交BC于N,连接MN。(2)过M点作AB的垂线即为法线,P1P2与法线的夹角为入射角1,MN与法线的夹角为2。(3)折射率n= 。(4)若三棱镜发生平移,入射角不变,折射角变小,折射率变大,即三棱镜材料折射率的测量值小于真实值。,答案：(1)如图所示 (2)入射角1 折射角
9、2,(4)小于,-19-,1.某校开展研究性学习,某研究小组根据光学知识,设计了一个测液体折射率的仪器。如图所示,在一个圆盘上,过其圆心O作两条相互垂直的直径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,而且总使得液面与直径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,在圆周EC部分插入P3,使P3挡住P1、P2的像。同学们通过计算,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,就可以直接读出液体折射率的值。 (1)若AOF=30,OP3与OC之间的夹角为30, 则P3处刻的折射率的值为
10、 。 (2)图中P3、P4两处,对应折射率大的是 。 (3)作AO的延长线交圆周于K,K处对应的折射率 为 。,-20-,(2)在折射角相同的情况下,图中P4对应的入射角大于P3所对应的入射角,所以P4对应的折射率大。 (3)因A、O、K在一条直线上,入射角等于折射角,所以K处对应的折射率应为1。 答案：(1)1.73 (2)P4 (3)1,-21-,2.小明同学设计了一个用刻度尺测半圆形玻璃砖折射率的实验,如图所示。他进行的主要步骤是:A.用刻度尺测玻璃砖的直径AB的大小d。 B.先把白纸固定在木板上,将玻璃砖水平放置在白纸上,用笔描出玻璃砖的边界,将玻璃砖移走,标出玻璃砖的圆心O、直径AB
11、、AB的法线OC。 C.将玻璃砖放回白纸的原处,长直尺MN紧靠A点并与直径AB垂直放置。 D.调节激光器,使PO光线从玻璃砖圆弧面沿半径方向射向圆心O,并使长直尺MN的左右两侧均出现亮点,记下左侧亮点到A点的距离x1,右侧亮点到A点的距离x2。则:,-22-,(1)小明利用实验数据计算此玻璃砖折射率的表达式为n= 。 (2)关于上述实验,以下说法正确的是 。 A.在BOC的范围内,改变入射光线PO的入射角,直尺MN上可能只出现一个亮点 B.左侧亮点到A点的距离x1一定小于右侧亮点到A点的距离x2 C.左侧亮点到A点的距离x1一定大于右侧亮点到A点的距离x2 D.要使左侧亮点到A点的距离x1增大,应减小入射角,-23-,解析：(1)设光线在AB面上的入射角为,折射角为,根据几何关,(2)当入射角大于或等于发生全反射的临界角时,直尺MN上只出现一个亮点,A正确;光从玻璃射入空气,折射角大于入射角,通过几何关系知,x1x2,B正确,C错误;减小入射角,则折射角减小,x1增大,D正确。,
