物理选修3-4实验
实验1.测得玻璃的折射率
【知识要点】
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
如图所示,当光线AO1以一定的入射角θ1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,从而求出
sinθPN折射光线O1O2 和折射角θ2,再根据n=或 n=sinθ2QN′
射率.
三、实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针、图钉、量角器(或圆
规)、三角板、铅笔.
四、实验步骤
1.如图所示,把白纸铺在木板上.
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,再用直尺
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O′B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,∠O′ON′ 为折射角.
7.改变入射角,重复实验.
五、数据处理
1.计算法:用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sinθ1
和sinθ2.算出不同入射角时的sinθ,并取平均值. sinθ2
2.作sinθ1-sinθ2图象:改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,
作sinθ1-sinθ2图象,由n=sinθ1 sinθ2
如图实-13-3所示,其斜率为折射率. 图实-13-3
3.“单位圆法”确定sinθ1、sinθ2,计算折射率n.以入射点O为圆心,以
一定长度R为半径画圆,交入射光线OA于E点,交折射光线OO′于E′点,
过E作NN′的垂线EH,过E′作NN′的垂线E′H′.如图实-13-4所示,sinθ
1
1
EHE′H′sinθEH=,sinθ2 =,OE=OE′=R,则n=.只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出OEOE′sinθ2E′H′
n.
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.
七、误差分析
1.入射光线、出射光线确定的准确性造成误差,故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些.
2.入射角和折射角的测量造成误差,故入射角应适当大些,以减小测量的相对误差.
八、实验改进
本实验可用半圆形玻璃砖代替长方形玻璃砖,做法如下:
在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2,确定入射光线,并让入射光线
过圆心O,在玻璃砖另一侧垂直纸面 插大头针P3,使P3挡住P1、P2的像,连
ABsinθOBAB接OP3,作光路图如图所示.则折射率n==. sinθ2CDCD
OC
【考点突破】
问题1.如图所示是上下两个面彼此平行的玻璃砖,两个面
之间的距离为h。一束光线以入射角i从上表面的O点入射,从下表面的Oˊ点射出。
(1)证明入射玻璃砖的光线和出射的光线平行
(2)证明侧移量随入射角的增大而增大。
(3)由图示可知能够确定入射角和折射角,因此可以测定
玻璃的折射率,怎样确定入射光线?怎样确定折射光线?(插
针法)
(4)实验过程中,角度的测量会带来误差,实验时入射角
度大一些好还是小一些好?
(5)实验的过程中入射角和折射角不一定是特殊角,计算角度的正弦值
有很大的难度。你怎样解决这个问题?
(6)只使用一次测量数据会给实验结果带来很大的误差,某位同学多次
测量入射角α和折射角β,做出了如图所示的图像。图像中斜率表示什么意
思?
(7)某同学用插针法测定玻璃砖的折射率,他的实验方法和操作步骤正
确无误。但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面aa’与bb’不平行,
如图所示:则( )
A.P1P2与P3P4两条直线平行
B.P1P2与P3P4两条直线不平行
C.他测出的折射率偏大
D.他测出的折射率不受影响
(8)在利用插针法测定玻璃砖折射率的实验中:
2 a′ b′
①
甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面
aa’和bb’后,不自觉地碰了玻璃砖使它向aa’方向平移了少许,如图所示:则他测出的折射率值将_____(选填“偏大”、
“偏小”或“不变”);
②乙同学在画界面时,不自觉地将两界面aa’、bb’间距
画得比玻璃砖宽度些,如图所示,则他测得折射率 (填
“偏大”、“偏小”“不变”) .
变式1.同学用圆柱形玻璃砖做测定玻璃折射率的实验,先在白纸上放好圆柱形玻璃砖,在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在圆柱形玻璃砖另一侧观察,调整视线使P1的像被P2的像挡住,接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,使P4挡住P3和P1、P2的像,在纸上标出的大头针位置和圆柱形玻璃砖的边界如图所示.
(1)在图上画出所需的光路.
(2)了测量出玻璃砖折射率,需要测量的物理量有 (要
求在图上标出).
(3)写出计算折射率的公式n= .
变式2.一块玻璃砖有两个相互平行的表面,其中一个表面是镀银的(光线不能通过此表面).现要测定此玻璃的折射率,给定的器材还有:白纸、铅笔、大头针4枚(P、带有刻1、P2、P4)3、P
度的直角三角板、量角器.实验时,先将玻璃砖放到白纸上,使上述两个相互平行的表面与纸面垂直.在纸上画出直线aa?和bb?,aa?表示镀银的玻璃表面,bb?表示另一表面,如图所示.然后,在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2(位置如图).用P1、P2的连线表示入射光线.
(1)为了测量折射率,应如何正确使用大头针P3、P4?试在题图中
标出P3、P4的位置.
(2)然后,移去玻璃砖与大头针.试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角?1 与折射角?2.简要写出作图步骤.
(3)写出用?1、?1表示的折射率公式n?.
变式3.徐老师用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射
率。开始玻璃砖的位置如图中实线所示,使大头针P1、P2与圆心O在同一
直线上,该直线垂直于玻璃砖的直径边,然后使玻璃砖绕圆心O缓慢转动,同时在玻璃砖直径边一侧观察P1、P2的像,且P2的像挡住P1的像。如此观察,当玻璃砖转到图中虚线位置时,上述现象恰好消失。此时只需测量出 ,即可计算出玻璃砖的折射率。请用你的测量量表示出折射率 。
变式4.学校开展研究性学习,某研究性学习小组的同学根据所学的光学知识,设计了一个测量液
体折射率的仪器,如图所示.在一个圆形木盘上过其圆心O作两条相互垂直的直径BC、EF,在半径OA上垂直圆盘面插下两枚大头针P1、P2并保持P1、P2的位置不变,每次
测量时,让圆盘的BFC部分竖直进入液体中,而且总使得液面与直径BC
相平,EF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.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P所插的位置,就可直接读出液
体折射率的值.则
(1)若?AOF?30?,OP3与OC的夹角为30?,则P3处所对应的折射率的值为________. (2)图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率值大?__________. (3)作AO的延长线交圆周于K,K处所对应的折射率的值应为_________.
变式5.如图所示,置于空气中的一不透明容器内盛满某种透明液体.容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6.0 cm长的线光源.靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板,另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜,用来观察线光源.开始时通过望远镜不能看到线光源的
任何一部分.将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时,通过望远
镜刚好可以看到线光源底端.再将线光源沿同一方向移动8.0 cm,刚好
可以看到其顶端.求此液体的折射率n.
实验2. 用双缝干涉测光的波长
【知识要点】
一、实验目的
1.了解光波产生稳定干涉现象的条件.2.观察双缝干涉图样.3.测定单色光的波长.
二、实验原理
1.光源发出的光经滤光片成为单色光,单色光经过单缝后相当于线光源,经双缝产生稳定的干涉图样,我们通过光屏可以观察到明暗相间的干涉条纹.若用白光照射,通过两狭缝可以在光屏上观察到彩色条纹.
d2.根据λ=Δx可以计算出单色光的波长.公式中d为双缝间距离,Δxl
为相邻两条亮纹间的距离,l为双缝到屏之间的距离,实验中d
一般
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