高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 光的折射第2课时课后测评

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 光的折射第2课时课后测评，共10页。试卷主要包含了实验设计，实验步骤，数据处理，注意事项，实验误差等内容，欢迎下载使用。

一、实验设计
1．实验方案
如图所示，当光以一定的入射角透过一块两面平行的玻璃砖时，只要找出与入射光线AO相对应的出射光线O′B即可。
2．实验原理
用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测入射角θ1和折射角θ2，根据折射定律计算出玻璃的折射率n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)。
3．实验器材
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、三角板(或直尺)、铅笔。
二、实验步骤
1．如图所示，将白纸用图钉钉在平木板上。
2．在白纸上画出一条直线aa′作为界面(线)。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，使它的长边跟aa′对齐，画出玻璃砖的另一边bb′。
4．在直线AO上竖直插上两枚大头针P1、P2，透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线方向直到P2的像挡住P1的像。再在观察者一侧竖直插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3及P1、P2的像，记下P3、P4的位置。
5．移去大头针和玻璃砖，过P3、P4所在处作直线O′B与bb′交于O′，直线O′B就代表了沿AO方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向。
6．连接OO′，入射角θ1＝∠AON，折射角θ2＝∠O′ON′，用量角器量出入射角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计的表格中。
7．用上述方法求出入射角分别为30°、45°、60°时的折射角，查出它们的正弦值，填入表格中。
8．算出不同入射角时的比值eq \f(sin θ1,sin θ2)，最后求出在几次实验中所测eq \f(sin θ1,sin θ2)的平均值，即为玻璃砖的折射率。
三、数据处理
处理方式一：在找到入射光线和折射光线以后，以入射点O为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与OO′(或OO′的延长线)交于D点，过C、D两点分别向NN′作垂线，交NN′于C′、D′，用直尺量出CC′和DD′的长，如图甲所示。
甲 乙
由于sin θ1＝eq \f(CC′,CO)，sin θ2＝eq \f(DD′,DO)，
而CO＝DO，所以折射率n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(CC′,DD′)。
重复以上实验，求得各次折射率的计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值。
处理方式二：根据折射定律可得n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)
因此有sin θ2＝eq \f(1,n)sin θ1。
在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以sin θ1值为横坐标、以sin θ2值为纵坐标，建立直角坐标系如图乙所示，描数据点，过数据点连线得到一条过原点的直线。
求解图线斜率，设斜率为k，则k＝eq \f(1,n)，故玻璃砖折射率n＝eq \f(1,k)。
四、注意事项
1．实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线转折点之间的距离要稍大一些。
2．入射角θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大。
3．在操作时，手不能触摸玻璃砖的光学面，更不能把玻璃砖界面当尺子画界线。
4．在实验过程中，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。
五、实验误差
1．入射光线和出射光线确定的不够精确。因此要求插大头针时两大头针间距应稍大。
2．入射角、折射角测量的不精确。为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱。
类型一 实验原理与操作
【典例1】 (2021·全国乙卷节选)用插针法测量上、下表面平行的玻璃砖的折射率。实验中用A、B两个大头针确定入射光路，C、D两个大头针确定出射光路。O和O′分别是入射点和出射点，如图所示。测得玻璃砖厚度为h＝15.0 mm；A到过O点的法线OM的距离AM＝10.0 mm，M到玻璃砖的距离MO＝20.0 mm，O′到OM的距离为s＝5.0 mm。
求玻璃砖的折射率。
[解析] 由几何关系可知，入射光线与法线夹角的正弦值sin i＝eq \f(AM,\r(AM2＋MO2))＝eq \f(10.0,10\r(5))＝eq \f(\r(5),5)，
折射光线与法线夹角的正弦值sin r＝eq \f(s,\r(s2＋h2))＝eq \f(5.0,5\r(10))＝eq \f(\r(10),10)，
根据折射定律可知，玻璃砖的折射率n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \r(2)。
[答案] eq \r(2)
类型二 数据处理与分析
【典例2】 如图所示，某同学用插针法测量一半圆形玻璃砖的折射率。在平铺的白纸上垂直于纸面插大头针P1、P2确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3，图中MN为分界面，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点。
(1)设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO的长度为l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量________，则玻璃砖的折射率可表示为________。
(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度，由此测得玻璃砖的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
[解析] (1)sin i＝eq \f(l1,BO)，sin r＝eq \f(l3,CO)，因此玻璃的折射率n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(\f(l1,BO),\f(l3,CO))＝eq \f(l1,l3)，因此只需测量l1和l3即可。
(2)当玻璃砖顺时针转过一个小角度时，在处理数据时，认为l1是不变的，即入射角不变，而l3减小，所以测量值n＝eq \f(l1,l3)将偏大。
[答案] (1)l1和l3 n＝eq \f(l1,l3) (2)偏大
类型三 创新实验设计
【典例3】 某同学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部分竖直浸入液体中，而且使液面与直径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，就可直接读出液体折射率的值。
(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________。
[解析] (1)此时OP3与OE之间的夹角为入射角，θ1＝60°，θ2＝30°，则n＝eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(sin 60°,sin 30°)＝eq \r(3)。
(2)P4对应的入射角大，折射角相同，所以对应的折射率大。
(3)当在K位置时，入射角与折射角相等，所以折射率等于1。
[答案] (1)eq \r(3) (2)P4 (3)1
1．如图甲、乙所示，在“用插针法测定玻璃的折射率”的实验中，当光线AO以一定入射角穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO对应的出射光线O′B，从而确定折射光线OO′。
甲 乙
(1)如图甲，测出入射角i和折射角r，则玻璃的折射率n＝________。
(2)如图乙，以O为圆心，作圆与OA、OO′分别交于P、Q两点，过P、Q两点分别作法线NN′的垂线，垂足分别为P′、Q′，则玻璃的折射率可以表示为n＝________。
[解析] (1)根据折射定律得n＝eq \f(sin i,sin r)。
(2)因为sin i＝eq \f(PP′,R)，sin r＝eq \f(QQ′,R)，
所以n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(PP′,QQ′)。
[答案] (1)eq \f(sin i,sin r) (2)eq \f(PP′,QQ′)
2．在“测定玻璃的折射率”的实验中，
(1)小朱同学在实验桌上看到方木板上有一张白纸，白纸上有如图甲所示的实验器材，他认为除了缺刻度尺还少了一种器材，请你写出所缺器材的名称：________。老师将器材配齐后，他进行实验，图乙是他在操作过程中的一个状态，请你指出第四枚大头针应在图乙中的位置______(选填“A”“B”或“C”)。
甲 乙
丙
(2)小朱利用方格坐标纸测定玻璃的折射率，如图丙所示，AO是画在纸上的直线，他在直线AO适当位置竖直插上P1、P2两枚大头针，放上半圆形玻璃砖，使其圆心与O重合，然后插上P3、P4两枚大头针，以确定折射光线。其中他确定P3大头针位置的方法应当是________。操作完成后，他用圆规作了一个以O为圆心、半径与玻璃砖半径相同的半圆(如图丙中虚线所示)，则他测出玻璃砖的折射率n＝________。
[解析] (1)还缺少大头针；依据光的折射定律，及玻璃砖上下表面平行，那么出射光线与入射光线相互平行，因此第四枚大头针应在图乙中的位置B处，如图所示：
(2)透过玻璃砖看，P3大头针挡住P1、P2两枚大头针的像；
如图，作出法线，过圆与入射光线与折射光线的交点作法线的垂线CA和DB，由数学知识得：入射角和折射角的正弦值分别为：
sin i＝eq \f(CA,CO)，sin r＝eq \f(BD,DO)
其中CO＝DO，则折射率n＝eq \f(sin r,sin i)＝eq \f(BD,CA)＝eq \f(6,4)＝1.5。
[答案] (1)大头针 B (2)挡住P1、P2的像 1.5
3．(2019·天津卷)某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。
(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度______。
A．选用两光学表面间距大的玻璃砖
B．选用两光学表面平行的玻璃砖
C．选用粗的大头针完成实验
D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些
(2)该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如图所示，其中实验操作正确的是______。
A B C D
(3)该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再过A、B点作法线NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图所示，则玻璃的折射率n＝______。(用图中线段的字母表示)
[解析] (1)在插针法测定玻璃的折射率实验中，使用两光学表面间距大的玻璃砖能更准确地确定玻璃砖内光线的位置，有利于减小实验误差，而两光学表面是否平行对测量折射率没有影响，选项A正确，B错误；插针时要求后插的针挡住先插的针或先插的针的像，故选用细一点的大头针能更准确地确定光线位置，提高实验精确度，选项C错误；实验中是根据同侧两枚大头针的连线来确定入射光线或出射光线，故距离大些更好，选项D正确。
(2)由题图可知实验使用的是平行玻璃砖，故出射光线应该与入射光线平行，选项A出射光线与入射光线在同一直线上，选项B、C中出射光线与入射光线不平行，故只有选项D正确。
(3)设图中入射角为i，折射角为r，则sin i＝eq \f(AC,OA)、
sin r＝eq \f(BD,OB)，故折射率n＝eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(AC,BD)。
[答案] (1)AD (2)D (3)eq \f(AC,BD)
4．用圆弧状玻璃砖做测量玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓，如图甲所示，其中O为两圆弧所在圆的圆心，图中已画出经过P1、P2点的入射光线。
(1)在图上补画出完整的光路。
(2)为了测出玻璃砖的折射率，需要测量入射角i和折射角r，请在图中的eq \(\s\up10(︵),AB)分界面两侧画出这两个角。
(3)多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角i和折射角r的正弦值，画出了如图乙所示的图像，由图像可知该玻璃的折射率n＝________。
甲 乙
[解析] (1)P3、P4的连线与eq \(\s\up10(︵),CD)的交点即为光线从玻璃砖中射出的位置，P1、P2的连线与eq \(\s\up10(︵),AB)的交点即为光线进入玻璃砖的位置，连接这两点即可作出玻璃砖中的光路，如图所示。
(2)连接O点与光线在eq \(\s\up10(︵),AB)上的入射点所得直线即为法线，标出入射角和折射角如图中i、r所示。
(3)图乙中图线的斜率k＝eq \f(sin i,sin r)＝n，由图乙可知斜率为1.5，即该玻璃的折射率为1.5。
[答案] (1)(2)见解析图 (3)1.5
实验目标
1．知道测量玻璃的折射率的原理、方法和步骤。
2．会确定入射光线、折射光线、入射角及折射角。
3．学会用不同方法计算玻璃的折射率。