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1、
實驗十四 測定玻璃的折射率
考綱解讀1.學會用插針法確定光路.2.會用玻璃磚和光的折射定律測定玻璃的折射率.
基本實驗要求
1. 實驗原理
如原理圖甲所示,當光線AO1以一定的入射角θ1穿過兩面平行的玻璃磚時,通過插針法找出跟入射光線AO1對應(yīng)的出射光線O2B,從而求出折射光線O1O2和折射角θ2,再根據(jù)n=或n=算出玻璃的折射率.
2. 實驗器材
木板、白紙、玻璃磚、大頭針、圖釘、量角器、三角板、鉛筆.
3. 實驗步驟
(1)用圖釘把白紙固定在木板上.
(2)在白紙上畫一條直線aa′,并取aa′上的一點O為入射點,作過O點的法線NN′.
(3)畫出線段AO作為
2、入射光線,并在AO上插上P1、P2兩根大頭針.
(4)在白紙上放上玻璃磚,使玻璃磚的一條長邊與直線aa′對齊,并畫出另一條長邊的對齊線bb′.
(5)眼睛在bb′的一側(cè)透過玻璃磚觀察兩個大頭針并調(diào)整視線方向,使P1的像被P2的像擋住,然后在眼睛這一側(cè)插上大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像,再插上P4,使P4擋住P3和P1、P2的像.
(6)移去玻璃磚,拔去大頭針,由大頭針P3、P4的針孔位置確定出射光線O′B及出射點O′,連接O、O′得線段OO′.
(7)用量角器測量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sin θ1和sin θ2.
(8)改變?nèi)肷浣?,重復實驗,算出不同入射角時的,
3、并取平均值.
規(guī)律方法總結(jié)
1. 實驗數(shù)據(jù)處理
(1)計算法:用量角器測量入射角θ1和折射角θ2,并查出其正弦值sin θ1和sin θ2.算出不同入射角時的,并取平均值.
(2)作sin θ1-sin θ2圖象:改變不同的入射角θ1,測出不同的折射角θ2,作sin θ1-sin θ2圖象,由n=可知圖象應(yīng)為直線,如實驗原理圖乙所示,其斜率為折射率.
(3)“單位圓”法確定sin θ1、sin θ2,計算折射率n.
以入射點O為圓心,以一定的長度R為半徑畫圓,交入射光線OA于E點,交折射光線OO′于E′點,過E作NN′的垂線EH,過E′作NN′的垂線E′H′.如實驗原理圖丙所示,s
4、in θ1=,sin θ2=,OE=OE′=R,則n==.只要用刻度尺量出EH、E′H′的長度就可以求出n.
2. 注意事項
(1)用手拿玻璃磚時,手只能接觸玻璃磚的毛面或棱,不能觸摸光潔的光學面,嚴禁把玻璃磚當尺子畫玻璃磚的另一邊bb′.
(2)實驗過程中,玻璃磚在紙上的位置不可移動.
(3)大頭針應(yīng)豎直地插在白紙上,且玻璃磚每兩枚大頭針P1與P2間、P3與P4間的距離應(yīng)大一點,以減小確定光路方向時造成的誤差.
(4)實驗時入射角不宜過小,否則會使測量誤差過大,也不宜過大,否則在bb′一側(cè)將看不到P1、P2的像.
考點一 對實驗操作的考查
例1 (2012·浙江理綜·21)
5、在“測定玻璃的折射率”實驗中,某同學經(jīng)正確操作插好了4枚大頭針,如圖1所示.
圖1 圖2
(1)在圖2中畫出完整的光路圖;
(2)對你畫出的光路圖進行測量和計算,求得該玻璃磚的折射率n=________(保留3位有效數(shù)字).
(3)為了觀測光在玻璃磚不同表面的折射現(xiàn)象,某同學做了兩次實驗,經(jīng)正確操作插好了8枚大頭針,如圖3所示.圖中P1和P2是同一入射光線上的2枚大頭針,其對應(yīng)出射光線上的2枚大頭針是P3和________(填“A”或“B”).
圖3
解析 (1)分別連接玻璃磚兩側(cè)的大頭針所在的點并延長,與玻璃磚兩平行邊分別相交,標出傳播方向,然
6、后連接玻璃磚邊界的兩交點,即為光線在玻璃磚中的傳播方向.光路圖如圖所示.
(2)設(shè)方格紙上正方形的邊長為1,光線的入射角為θ1,折射角為θ2,則sin θ1==0.798,sin θ2==0.521
所以該玻璃磚的折射率n===1.53
(3)由題圖乙可知,光線P1P2入射到玻璃磚上時,相當于光線射到了一個三棱鏡上,因此出射光線將向底邊偏折,所以出射光線過P3和A.
答案 (1)見解析圖 (2)1.53(說明:±0.03范圍內(nèi)都可)
(3)A
考點二 對實驗數(shù)據(jù)處理的考查
例2 用三棱鏡做測定玻璃折射率的實驗,先在白紙上放好三棱鏡,
在棱鏡的一側(cè)插入兩枚大頭針P1和P2,然后在
7、棱鏡的另一側(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、P4,使P3擋住P1、P2的像,P4擋住P3和 圖4
P1、P2的像,在紙上標出的大頭針的位置和三棱鏡輪廓如圖4所示.
(1)在本題的圖上畫出所需的光路.
(2)為了測出棱鏡玻璃的折射率,需要測量的量是________,________,在圖上標出它們.
(3)用(2)中所測物理量計算折射率的公式是n=________.
解析 (1)光路圖如圖所示,
畫出通過P1、P2的入射光線,交AC面于O,畫出通過P3、P4的出射光線交AB面于O′,連接OO′,則光線OO′就是入射光線P1P2在三
8、棱鏡中的折射光線.
(2)在所畫的圖上注明入射角θ1和折射角θ2,并畫出虛線部分,用量角器量出θ1和θ2(或用直尺測出線段EF、OE、GH、OG的長度).
(3)n=(或因為sin θ1=,sin θ2=,則n==).
答案 見解析
例3 學校開展研究性學習,某研究小組的同學根據(jù)所學的光學知
識,設(shè)計了一個測量液體折射率的儀器,如圖5所示.在一圓盤上,過其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF,在半徑OA上,垂直盤面插下兩枚大頭針P1、P2,并保持P1、P2位置不變,每次測量時讓圓盤的下半部分豎直進入液體中,而且總使得液面與直徑BC相平,EF作為界面的法線,而后在圖中右上方區(qū)
9、圖5
域觀察P1、P2的像,并在圓周上插上大頭針P3,使P3正好擋住P1、P2的像,同學們通過計算,預(yù)先在圓周EC部分刻好了折射率的值,這樣只要根據(jù)P3所插的位置,就可直接讀出液體折射率的值,則:
(1)若∠AOF=30°,OP3與OC的夾角為30°,則P3處所對應(yīng)的折射率的值為________.
(2)圖中P3、P4兩位置哪一處所對應(yīng)的折射率的值大?
答:________________________________________________________________________.
(3)作AO的延長線交圓周于K,K處所對應(yīng)的折射率值應(yīng)為________.
解析
10、 (1)根據(jù)折射定律n=,題中θ1=60°,θ2=∠AOF=30°,所以n==.
(2)圖中P4對應(yīng)的入射角大于P3所對應(yīng)的入射角,所以P4對應(yīng)的折射率大.
(3)因A、O、K在一條直線上,入射角等于折射角,所以K處對應(yīng)的折射率應(yīng)為1.
答案 (1) (2)P4處對應(yīng)的折射率的值大 (3)1
1. 用兩面平行的玻璃磚測定玻璃的折射率的實驗中,已畫好玻璃磚界面
aa′和bb′,若不慎將玻璃磚向上平移了一些,放在圖6所示的位置上,而實驗中其他操作均正確,則測得的折射率將 ( )
A.偏大 B.偏小 C.不變 D.無法確定 圖6
答案 C
解析 經(jīng)過
11、玻璃磚的光路如圖中實線所示,由于所作的玻璃磚分界線不是實際的分界線,而是如圖中虛線所示,由幾何知識可知,測出的折射角與真實的折射角相同.
2. 某同學做“測定玻璃的折射率”實驗時,用他測得的多組入射角θ1
與折射角θ2作出sin θ1-sin θ2的圖象如圖7所示,下列判斷不正確的是 ( )
A.他做實驗時,研究的是光線從空氣射入玻璃的折射現(xiàn)象
B.玻璃的折射率為0.67 圖7
C.玻璃的折射率為1.5
D.玻璃臨界角的正弦值為0.67
答案 B
解析 由sin θ1-sin θ2圖象可知,==1.5>1,故光是從空氣射入玻璃的,入
12、射角為θ1,A正確.由折射率的定義知n=1.5,C正確,B錯誤.由臨界角定義知臨界角的正弦值sin C==0.67,D正確.
3. (2012·重慶理綜·22(1))如圖8所示為光學實驗用的長方體玻璃磚,它的____面不能用手直接接觸.
圖8
在用插針法測定玻璃磚折射率的實驗中,兩位同學繪出的玻璃磚和三個針孔a、b、c的位置相同,且插在c位置的針正好擋住插在a、b位置的針的像,但最后一個針孔的位置不同,分別為d、e兩點,如圖9所示.計算折射率時,用______(填“d”或“e”)點得到的值較小,用________(填“d”或“e”)點得到的值誤差較小.
圖9
答案 光學 d
13、e
解析 實驗用的光學玻璃磚的光學面不能用手接觸,以防止損壞其光學面.如圖所示,連接cd、ce并延長分別交玻璃磚于O1、O2點,并連接OO1、OO2,入射角i相同,折射角∠O′OO2<∠O′OO1,由n=得,折射角越大的,求得的折射率越?。蓤D可得,用d點得到的值較小,而ce與ab近似平行,故用e點得到的值誤差較小.
4. (2011·天津·9(3))某同學用大頭針、三角板、量角器等器材測半圓形玻璃磚的
折射率.開始玻璃磚的位置如圖10中實線所示,使大頭針P1、P2與圓心O在同一直線上,該直線垂直于玻璃磚的直徑邊,然后使玻璃磚繞圓心O緩慢轉(zhuǎn)動,同時在玻璃磚的直徑邊一側(cè)觀察P1、P2的
14、像,且P2的像擋住P1的像.如此觀察,當玻璃磚轉(zhuǎn)到圖中虛線位置時,上述現(xiàn)象恰好消失.此 圖10
時只須測量出____________,即可計算出玻璃磚的折射率.請用你的測量量表示出折射率n=________.
答案 玻璃磚直徑邊繞O點轉(zhuǎn)過的角度θ
解析 “P2擋住P1的像的現(xiàn)象恰好消失”意味著剛好發(fā)生全反射現(xiàn)象,此時玻璃磚內(nèi)光線的入射角恰好等于臨界角C,玻璃磚轉(zhuǎn)過θ,入射光路的法線也轉(zhuǎn)過同樣的角度,入射角θ=C.根據(jù)n=得n=.
5. 如圖11所示,某同學用插針法測定一半圓形玻璃磚的折射率,在
平鋪的白紙上垂直紙面插上大頭針P1、P2確定入射光線,并讓入射光線過圓心O,在玻璃磚(
15、圖中實線部分)另一側(cè)垂直紙面插大頭針P3,使P3擋住P1、P2的像,連接OP3.圖中MN為分界面,虛線半圓與玻璃磚對稱,B、C分別是入射光線、折射光線與圓的交點,AB、CD均垂直于法線并分別交法線于A、D點. 圖11
(1)設(shè)AB的長度為l1,AO的長度為l2,CD的長度為l3,DO的長度為l4,為較方便地表示出玻璃磚的折射率,需用刻度尺測量______,則玻璃磚的折射率可表示為____________.
(2)該同學在插大頭針P3前不小心將玻璃磚以O(shè)為圓心順時針轉(zhuǎn)過一小角度,由此測得玻璃磚的折射率將________(填“偏大”、“偏小”或“不變”).
答案 (1)l1和l3 (
16、2)偏大
6. 如圖12所示,畫有直角坐標系xOy的白紙位于水平桌面上.M
是放在白紙上的半圓形玻璃磚,其底面的圓心在坐標原點,直邊與x軸重合.OA是畫在紙上的直線,P1、P2為豎直地插在直線OA上的兩枚大頭針,P3是豎直地插在紙上的第三枚大頭針,α是直線OA與y軸正方向的夾角,β是直線OP3與y軸負方向的夾 圖12
角.只要直線OA畫得合適,且P3的位置取得正確,測出角α和β,便可求得玻璃的折射率.某學生在用上述方法測量玻璃的折射率時,在他畫出的直線OA上豎直地插上了P1、P2兩枚大頭針,但在y<0的區(qū)域內(nèi),不管眼睛放在何處,都無法透過玻璃磚看到P1、P2的像,他應(yīng)采取的措施是___
17、_____________________.若他已透過玻璃磚看到P1、P2的像,確定P3位置的方法是______________.若他已正確地測得了α、β的值,則玻璃的折射率n=__________________.
答案 另畫一條更靠近y軸正方向的直線OA,把大頭針P1、P2豎直地插在所畫的直線上,直到在y<0區(qū)域透過玻璃磚能看到P1、P2的像 豎直插上大頭針P3,使P3剛好能擋住P1、P2的像
解析 無法看到P1、P2的像是因為OA光線的入射角過大,發(fā)生全反射的緣故.P3能擋住P1、P2的像說明OP3是OA的折射光線.
7. 測定玻璃等腰直角三棱鏡折射率的實驗中,先在白紙上放好三棱
18、
鏡,在棱鏡的一側(cè)插上兩枚大頭針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的像擋住,接著在眼睛所在的一側(cè)插兩枚大頭針P3、P4,使P3擋住P1、P2的像,P4擋住P3 圖13
和P1、P2的像,在紙上標出的大頭針的位置和三棱鏡輪廓如圖13所示.
(1)通過作圖,畫出通過P1、P2的入射光線在棱鏡中的折射光線;
(2)如果測得該棱鏡的折射率為1.5,則垂直于AB邊入射的光線能否從BC邊或AC邊射出________(選填“能”或“不能”).
答案 (1)見解析圖 (2)不能
解析 (1)如圖所示
(2)設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為C,則sin C==