高中物理 第四章 光的折射 2 學(xué)生實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率課件 教科版選修34
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1、2學(xué)生實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率第四章光的折射學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解平行玻璃磚的光學(xué)性質(zhì).2.會(huì)用“插針?lè)ā睖y(cè)定玻璃磚的折射率.內(nèi)容索引題型演練學(xué)以致用 實(shí)訓(xùn)演練達(dá)標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià) 達(dá)標(biāo)過(guò)關(guān)技能儲(chǔ)備明確原理 提煉方法技能儲(chǔ)備技能儲(chǔ)備一、實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率一、實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率1.實(shí)驗(yàn)原理用插針?lè)ù_定光路,找出與入射光線相應(yīng)的出射光線,就能在玻璃磚中畫(huà)出對(duì)應(yīng)的折射光線,從而可以測(cè)出一組對(duì)應(yīng)的入射角和折射角,根據(jù)折射定律,便可求出玻璃的折射率.2.實(shí)驗(yàn)器材玻璃磚、白紙、木板、大頭針?biāo)拿?、圖釘(34枚)、量角器、直尺、鉛筆. 3.實(shí)驗(yàn)步驟(1)把白紙用圖釘釘在木板上.(2)用直尺畫(huà)一條平行于玻璃
2、磚一個(gè)面的直線aa作為分界面,過(guò)aa上一點(diǎn)O作垂直于aa的直線NN作為法線,過(guò)O點(diǎn)畫(huà)一條入射光線AO,使入射角i適當(dāng)大些.如圖1所示.圖1(3)在AO線上豎直地插兩枚大頭針P1、P2,在白紙上放上被測(cè)玻璃磚,使玻璃磚的一個(gè)面與aa重合.(4)用直尺畫(huà)平行于玻璃磚另一側(cè)面的一條直線bb.(5)在玻璃磚的bb一側(cè)白紙上豎直地插一枚大頭針P3,調(diào)整視線,同時(shí)移動(dòng)大頭針P3的位置,當(dāng)P3恰好能同時(shí)擋住玻璃磚aa一側(cè)所插的大頭針P1、P2的像時(shí),把大頭針P3插好.(6)在玻璃磚bb一側(cè)再豎直地插一枚大頭針P4,使P4能擋住P3本身,同時(shí)也能擋住P1、P2的像.(7)記下P3、P4的位置,移去玻璃磚,拔去
3、大頭針,過(guò)P3、P4連一條直線BO交bb于O點(diǎn),連接OO,OO就是入射光線AO在玻璃磚內(nèi)的折射光線,折射角為r.(8)用量角器量出入射角i和折射角r的大小.(9)改變?nèi)肷浣莍,重復(fù)上面的步驟再做三、四次,量出相應(yīng)的入射角和折射角.(10)算出不同入射角時(shí) 的值,求出幾次實(shí)驗(yàn)中的平均值就是玻璃的折射率.4.數(shù)據(jù)處理(1)計(jì)算法:把上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別由n 計(jì)算出n1、n2、n3、,求出平均值即為玻璃磚折射率的測(cè)量值.(2)圖像法:因sin insin r,所以可把上面的數(shù)據(jù)以sin r值為橫坐標(biāo)、以sin i值為縱坐標(biāo),建立直角坐標(biāo)系,如圖2所示.描數(shù)據(jù)點(diǎn),過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)連線得一條過(guò)原點(diǎn)的直線.求解圖線斜
4、率,設(shè)斜率為k,則nk.圖2(3)單位圓法:過(guò)入射點(diǎn)畫(huà)出玻璃磚界面的法線NN,以入射點(diǎn)B為圓心,適當(dāng)長(zhǎng)度為半徑畫(huà)圓,入射光線、折射光線與圓周交于A和C,由點(diǎn)A、C向法線作垂線,分別交法線NN于A、C點(diǎn),如圖3所示.測(cè)出垂線的長(zhǎng)度AA和CC,則玻璃磚的折射率可表示為圖35.注意事項(xiàng)(1)輕拿輕放玻璃磚,手只能接觸玻璃磚的毛面或棱,不能觸摸光潔的光學(xué)面.嚴(yán)禁把玻璃磚當(dāng)直尺使用.(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,玻璃磚在紙面上的位置不可移動(dòng).(3)大頭針P1與P2、P3與P4的間距要適當(dāng)?shù)卮笮?,以減小確定光線方向時(shí)出現(xiàn)的誤差.(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)入射角不能太小(接近零度),否則會(huì)使測(cè)量誤差加大;也不能太大(接近90),否則
5、會(huì)不易觀察到P1、P2的像.二、光的色散現(xiàn)象二、光的色散現(xiàn)象1.色散:白光實(shí)際上是由各種單色光組成的復(fù)色光.復(fù)色光在通過(guò)透明介質(zhì)以后分解成單色光的現(xiàn)象叫做色散.2.同一種介質(zhì)對(duì)不同顏色的光的折射率是不同的.在各種色光中介質(zhì)對(duì)紫光折射率最大,表示紫光在介質(zhì)中傳播的速度最小.題型演練題型演練一、實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率答案答案見(jiàn)解析例例1在用三棱鏡測(cè)定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)中,先在白紙上放好三棱鏡,在棱鏡的一側(cè)垂直白紙插入兩枚大頭針P1和P2,然后在棱鏡的另一側(cè)觀察,調(diào)整視線使P1的像被P2擋住,接著在眼睛所在的一側(cè)垂直白紙插兩枚大頭針P3、P4,使P3擋住P1、P2的像,P4擋住P3和P1、P2的像,在
6、紙上標(biāo)出的大頭針位置和三棱鏡輪廓如圖4所示.(1)在本題的圖上畫(huà)出所需的光路;答案解析圖4解析解析如圖所示,畫(huà)出通過(guò)P1、P2的入射光線,交AC面于O,畫(huà)出通過(guò)P3、P4的出射光線交AB面于O.則光線OO就是入射光線P1P2在三棱鏡中的折射光線.解析解析過(guò)O點(diǎn)作AC面的法線,在所畫(huà)的圖上注明入射角1和折射角2,用量角器量出1和2.(2)為了測(cè)出棱鏡玻璃的折射率,需要測(cè)量的量是_,_,在圖上標(biāo)出它們;答案解析答案答案見(jiàn)解析(3)計(jì)算折射率的公式是_.答案解析答案答案見(jiàn)解析總結(jié)提升總結(jié)提升測(cè)定玻璃折射率的基本思路測(cè)定玻璃折射率的基本思路1.確定一條從空氣斜射入玻璃(或者從玻璃斜射入空氣)的光路.2
7、.通過(guò)作圖確定入射角和折射角.3.由折射率的定義式n 計(jì)算出玻璃的折射率.例例2在“測(cè)定玻璃的折射率”實(shí)驗(yàn)中:(1)為了取得較好的實(shí)驗(yàn)效果,其中正確的是_.A.必須選用上下表面平行的玻璃磚B.選擇的入射角應(yīng)盡量小些C.大頭針應(yīng)垂直地插在紙面上D.大頭針P1和P2及P3和P4之間的距離適當(dāng)大些答案解析CD解析解析用插針?lè)y(cè)定玻璃的折射率時(shí),玻璃磚上、下表面不一定要平行,故A錯(cuò)誤;為了減小測(cè)量的相對(duì)誤差,選擇的入射角適當(dāng)大些,效果會(huì)更好,故B錯(cuò)誤;為了準(zhǔn)確確定入射光線和折射光線,大頭針應(yīng)垂直地插在紙面上,故C正確;大頭針P1和P2及P3和P4之間的距離適當(dāng)大些時(shí),引起的角度誤差會(huì)減小,效果會(huì)好些,
8、故D正確.解析解析如圖,實(shí)線是真實(shí)的光路圖,虛線是玻璃磚寬度畫(huà)大后的光路圖.由圖看出,在這種情況下測(cè)得的入射角不受影響,但測(cè)得的折射角比真實(shí)的折射角偏大,因此測(cè)得的折射率偏小.(2)甲同學(xué)在畫(huà)界面時(shí),不小心將兩界面aa和bb間距畫(huà)得比玻璃磚寬度大些,如圖5所示,則他測(cè)得的折射率_(選填“偏大”“偏小”或“不變”)答案解析偏小圖5(3)乙同學(xué)在量入射角和折射角時(shí),由于沒(méi)有量角器,在完成了光路圖以后,以O(shè)點(diǎn)為圓心,OA為半徑畫(huà)圓,交OO延長(zhǎng)線于C點(diǎn),過(guò)A點(diǎn)和C點(diǎn)作垂直法線的直線分別交于B點(diǎn)和D點(diǎn),如圖6所示,則他只需要測(cè)量_,就可求出玻璃的折射率n_.答案解析圖6AB、CD的長(zhǎng)度答案答案見(jiàn)解析圖例
9、例3用圓弧狀玻璃磚做測(cè)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)豎直插兩枚大頭針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7甲所示,其中O為兩圓弧圓心,圖中已畫(huà)出經(jīng)P1、P2點(diǎn)的入射光線.(1)在圖上補(bǔ)畫(huà)出所需的光路.答案解析圖7解析解析連接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,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,連接兩交點(diǎn)即可作出玻璃磚中的光路,
10、如圖所示答案答案見(jiàn)解析圖(2)為了測(cè)出玻璃的折射率,需要測(cè)量入射角和折射角,請(qǐng)?jiān)趫D中的AB分界面上畫(huà)出這兩個(gè)角.答案解析解析解析連接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)用所測(cè)物理量計(jì)算折射率的公式為n_.答案解析(4)多次改變?nèi)肷浣?,測(cè)得幾組入射角和折射角,根據(jù)測(cè)得的入射角和折射角的正弦值,畫(huà)出了如圖乙所示的圖像,由圖像可知該玻璃的折射率n_.答案解析1.5二、折射時(shí)的色散如圖8所示,白光通過(guò)棱鏡折射后,由上到下的色光順序?yàn)椋杭t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫,這說(shuō)明: (1)射出棱鏡的光線與入射光線方向的夾角叫通過(guò)棱鏡的偏向角,如圖所示,白光色散時(shí),紅光的偏
11、向角最小,紫光的偏向角最大,說(shuō)明同種玻璃對(duì)不同色光的折射率是不同的.(2)根據(jù)n 可知:在同種介質(zhì)中折射率大的速度小,各種色光在同種介質(zhì)中的速度從小到大排序依次為v紫v靛v橙v紅,即紅光的速度最大,紫光的速度最小.圖8例例4如圖9所示,從點(diǎn)光源S發(fā)出的一細(xì)束白光以一定的角度入射到三棱鏡的表面,經(jīng)過(guò)三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象,在光屏的ab間形成一條彩色光帶.下面的說(shuō)法中正確的是A.a側(cè)是紅色光,b側(cè)是紫色光B.在真空中a側(cè)光的波長(zhǎng)小于b側(cè)光的波長(zhǎng)C.三棱鏡對(duì)a側(cè)光的折射率小于對(duì)b側(cè)光的折射率D.在三棱鏡中a側(cè)光的傳播速度大于b側(cè)光的傳播速度答案解析圖9解析解析紅光的折射率小于紫光的折射率,經(jīng)過(guò)三
12、棱鏡,紅光的偏折角小于紫光的偏折角,則a側(cè)是紫色光,b側(cè)是紅色光,A錯(cuò);由題圖知a側(cè)光的偏折角大,三棱鏡對(duì)a側(cè)光的折射率大,a側(cè)光的波長(zhǎng)短,B對(duì),C錯(cuò);三棱鏡對(duì)a側(cè)光的折射率大,由v 知,在三棱鏡中a側(cè)光的傳播速度小于b側(cè)光的傳播速度,D錯(cuò).總結(jié)提升總結(jié)提升1.同一介質(zhì)對(duì)不同的色光有不同的折射率,介質(zhì)對(duì)頻率大、波長(zhǎng)短的光折射率大,按折射率從小到大依次排列為:紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫.2.在同一介質(zhì)中,不同色光的傳播速度不同,紅光的折射率小,傳播速度大;紫光的折射率大,傳播速度小.達(dá)標(biāo)檢測(cè)達(dá)標(biāo)檢測(cè)1231.(實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率)(多選)在做“測(cè)定玻璃的折射率”的實(shí)驗(yàn)時(shí)
13、,下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)要求的敘述正確的是A.玻璃磚的寬度宜大些B.大頭針應(yīng)垂直地插在紙面上C.每邊的兩個(gè)大頭針的距離近些容易觀察D.在插P4時(shí),只要擋住P3的光線就行,與P1、P2無(wú)關(guān)答案解析解析解析玻璃磚寬度大些,入射光、出射光與界面的交點(diǎn)偏移距離大,便于畫(huà)圖和測(cè)量.大頭針垂直插在紙面上可減小誤差.每邊的兩個(gè)大頭針的距離過(guò)近,確定入射光線和出射光線的位置時(shí)誤差較大,在插P4時(shí)要擋住P3和P1、P2的像,與P1、P2有關(guān),故A、B正確.123解析解析由題圖可知,可見(jiàn)光穿過(guò)玻璃磚后,發(fā)生了色散,其中a光的側(cè)移距離大于b光的側(cè)移距離,說(shuō)明玻璃對(duì)a光的折射率大于玻璃對(duì)b光的折射率,同種介質(zhì)對(duì)紅、橙、黃、綠、
14、藍(lán)、靛、紫七種色光的折射率依次增大,由于b光是藍(lán)光,故只有D選項(xiàng)符合題意.2.(折射中的色散折射中的色散)如圖10所示,一束可見(jiàn)光穿過(guò)平行玻璃磚后,變?yōu)閍、b兩束單色光.如果光束b是藍(lán)光,則光束a可能是A.紅光 B.黃光C.綠光 D.紫光答案解析123圖103.(實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率實(shí)驗(yàn):測(cè)定玻璃的折射率)在用兩面平行的玻璃磚測(cè)定玻璃折射率的實(shí)驗(yàn)中,其實(shí)驗(yàn)光路如圖11所示.(1)在實(shí)驗(yàn)中,如果用量角器分別量出入射角1和折射角2,那么,該玻璃磚的折射率的表達(dá)式為n_.答案解析123圖11(2)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中,有兩位同學(xué)各設(shè)計(jì)了一個(gè)記錄表格,而且都已完成了計(jì)算,根據(jù)他們?cè)O(shè)計(jì)的表格所反映的信息
15、,判斷他們的論證做得是否正確.甲同學(xué)設(shè)計(jì)的表格是123次數(shù)入射角1sin 1折射角2sin 2n1300.50020.90.3571.401.402450.70730.50.5081.393600.86638.00.6161.41解析解析為了減小測(cè)量的偶然誤差,必須采用多次測(cè)量取平均值的方法.由于每次測(cè)量時(shí),入射角不同,折射角不同,入射角和折射角取平均值沒(méi)有意義,而介質(zhì)的折射率僅由介質(zhì)的性質(zhì)決定,是不變的,所以應(yīng)根據(jù)每一個(gè)入射角及對(duì)應(yīng)的折射角,運(yùn)用折射定律求出折射率,再求出折射率的平均值,可有效減小測(cè)量的誤差,故甲同學(xué)做得正確.乙同學(xué)設(shè)計(jì)的表格是答案解析123次數(shù)123角平均值正弦值n入射角1
16、304560450.7071.42折射角220.930.538.028.80.497上述兩位同學(xué)做得正確的是_(填“甲”或“乙”)甲A.甲、乙均偏小 B.甲、乙均偏大C.甲偏大、乙偏小 D.甲偏小、乙偏大(3)若甲在做測(cè)定玻璃的折射率的實(shí)驗(yàn)時(shí),法線畫(huà)得與界面不垂直,出現(xiàn)如圖12(a)所示的傾斜;若乙在放置玻璃磚時(shí),玻璃磚的平面沒(méi)有與aa重合,出現(xiàn)如圖(b)所示的偏差,則他們測(cè)得的折射率比真實(shí)值_.答案解析123A 圖12解析解析題圖(a)測(cè)得的入射角和折射角都偏大,而且增大相同的角度,玻璃磚的折射率為: 運(yùn)用特殊值法分析:若法線與界面垂直時(shí),入射角為i45,折射角為r30,則折射率為 1.41.若法線與界面不垂直時(shí),入射角與折射角都增大15,則折射率為n 1.22,可見(jiàn),甲的測(cè)量值將偏小.出現(xiàn)題圖(b)所示的偏差時(shí)測(cè)量的入射角i和折射角r都增大,而且增大相同的角度,與(a)情況恰好相同,故測(cè)量值將偏小,故A正確,B、C、D錯(cuò)誤.123
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