資源簡介

(共35張PPT)
第四章
2
專題：測量玻璃的折射率
1
知道測量玻璃的折射率的原理、方法和步驟，會確定入射光線和折射光線，會確定入射角和折射角，會計算折射率.
2
知道實驗誤差產生的原因和減小誤差的方法.
重點
難點
3
學會用不同方法計算玻璃的折射率.
重難點
如圖為幾種介質的折射率，我們發現不同介質對光的折射能力不同。
玻璃是生活中隨處可見的一種透明介質，光從空氣入射到玻璃的界面上會發生折射，我們應該如何測量玻璃的折射率？
需要直接測量光從空氣射入玻璃的入射角和折射角
一、實驗思路
1.實驗目的
掌握測定玻璃折射率的方法，加深對折射定律的理解.
2.實驗原理
(1)根據兩點確定一條直線作出光路.
(2)用“插針法”確定光路，找出入射光線及相應的出射光線，畫出玻璃磚中對應的折射光線，用量角器分別測出入射角θ1和折射角θ2，根據折射定律n＝ 便可求出玻璃的折射率.
3.物理量的測量：入射角θ1和折射角θ2
二、實驗器材
玻璃磚、白紙、木板、大頭針四枚、圖釘(3～4枚)、量角器、直尺、鉛筆.
三、實驗步驟
1.把白紙用圖釘釘在木板上.
2.用直尺畫一條平行于玻璃磚一個面的一條直線aa′作為界面，過aa′上一點O作垂直于aa′的直線NN′作為法線，過O點畫一條入射光線AO，使入射角θ1適當大些，如圖所示.
3.在AO線上豎直地插兩枚大頭針P1、P2，在白紙上放上被測玻璃磚，使玻璃磚的一個面與aa′重合.
4.沿玻璃磚的另一側面用直尺畫一條直線bb′.
P1、P2間距適當大一些，不要靠的太近。
5.在玻璃磚bb′一側白紙上豎直地立一枚大頭針P3，調整視線，同時移動大頭針P3的位置，當P3恰好能同時擋住玻璃磚aa′一側所插的大頭針P1、P2的像時，把大頭針P3插好.
6.在玻璃磚bb′一側再豎直地插一枚大頭針P4，使P4能擋住P3，同時也能擋住P1、P2的像.
P3、P4間距同樣適當大一些
7.記下P3、P4的位置，移去玻璃磚，拔去大頭針，過P3、P4連一條直線BO′交bb′于O′點，連接OO′，OO′就是入射光線AO在玻璃磚內的折射光線，折射角為θ2.
8.用量角器量出入射角θ1和折射角θ2的大小.
9.改變入射角θ1，重復上面的步驟再做三、四次，量出相應的入射角和折射角.
四、數據分析
1.計算法：通過多次測量入射角和折射角，得出多組入射角和折射角的
正弦值，再代入n＝ 中求出多個n的值，然后取其平均值，即為玻璃磚的折射率.
實驗次數 入射角θ1 sin θ1 折射角θ2 sin θ2
1
2 3 2.圖像法：求出多組對應的入射角與折射角的正弦值，作出sin θ1－sin θ2圖像，由n＝ 可知圖像應為一條過原點的直線，如圖所示，其斜率為折射率.
3.單位圓法
(1)以入射點O為圓心，以一定長度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′，分別交NN′于點H、H′，如圖所示.
五、注意事項
1.所用玻璃磚要適當厚一些.
2.實驗中，玻璃磚在紙上的位置不可移動.
3.不能用手觸摸玻璃磚光潔的光學面，更不能把玻璃磚當尺子用.
4.大頭釘應豎直插在白紙上，且玻璃磚每一側兩枚大頭針P1與P2、P3與P4間的距離應適當大些，以減小確定光路方向時造成的誤差.
5.實驗中入射角不宜過小或過大，否則會使測量誤差增大.
六、實驗誤差分析
1.誤差來源
本實驗誤差的主要來源是測量光在玻璃中的折射角θ2的誤差．
2.減小誤差的方法
(1)選用寬度較大的玻璃磚，玻璃磚寬度宜在5 cm以上，若寬度太小則測量誤差較大．
(2)入射角宜在15°～75°范圍內．
(3)在紙上畫aa′，bb′兩條線時，應盡量準確地與玻璃磚的兩個平行的折射面重合，這樣，兩交點O、O′才能與光線的實際入射點和出射點較好地相符，否則將使畫出的玻璃中的光路與實際情況偏離．
圓形刻度盤下方有一半圓形玻璃磚，紅色激光器對準玻璃磚與空氣分界面的圓心處，改變入射角度，同時記錄幾組對應的入射角與折射角。進行數據處理。也可以求出玻璃磚的折射率。
創新方案：使用激光器測量折射率
導練
1.(2022·北京順義高二期末)如圖所示，在“測量玻璃的折射率”實驗中，下列說法正確的是
A.為了提高實驗的準確度，必須選用兩光學表面
　平行的玻璃磚
B.判斷像與針是否在同一直線時，應該觀察大頭
　針的頭部
C.大頭針P1與P2、P3與P4的間距適當遠一些，可以減小實驗誤差
D.在白紙上放好玻璃磚后，首先要用鉛筆貼著玻璃磚的光學面畫出邊界
√
光學表面是否平行不影響該實驗的準確度，A錯誤；
判斷像與針是否在同一直線時，應觀察大頭針的整個部分，不能只觀察大頭針的頭部，B錯誤；
大頭針P1與P2、P3與P4的間距適當遠一些，可以減小實驗誤差，C正確；
用鉛筆貼著玻璃磚的光學面畫出邊界可能會損壞光學面，D錯誤.
2.如圖所示，當光線AO以一定入射角穿過一塊兩面平行的玻璃磚時，通過“插針法”找出與入射光線AO對應的出射光線O′B，從而確定折射光線OO′.
(1)如圖甲所示，用量角器量出入射角i和折射角r，根據n＝______可計算出玻璃磚的折射率.
(2)如圖乙所示，以O為圓心，用圓規作圓與OA、OO′分別交于P、Q點，過P、Q點分別作法線NN′的垂線，垂足分別為P′、Q′，用刻度尺測量出PP′和QQ′的長度，則玻璃磚的折射率
n＝_______.
3.用三棱鏡做測量玻璃的折射率的實驗，先在白紙上放好三棱鏡，在棱鏡的一側插入兩枚大頭針P1和P2，然后在棱鏡的另一側觀察，調整視線使P1的像被P2的像擋住，接著在眼睛所在的一側插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P1、P2的像和P3，在紙上標出大頭針的位置和三棱鏡輪廓，如圖所示.
(1)在圖上畫出所需的光路圖；
答案　見解析
光路圖如圖所示，畫出通過P1、P2的入射光線，交AC于O，畫出通過P3、P4的出射光線交AB于O′，連接OO′，則光線OO′就是入射光線P1P2在三棱鏡中的折射光線.
(2)為了測出該三棱鏡的折射率，需要測量的物理量是________，在圖上標出它們；
答案　見解析
在所畫的圖上畫出虛線部分，并注明入射角θ1和折射角θ2，用量角器量出θ1和θ2的大小(或用直尺測出線段EF、OE、GH、OG的長度).
(3)計算折射率的公式是n＝________.
答案　見解析
總結提升
測定玻璃折射率的基本思路
(1)確定一條從空氣斜射入玻璃磚(或者從玻璃磚斜射入空氣)的光路.
(2)通過作圖確定入射角和折射角.
4.如圖(a)所示，甲同學在“測量玻璃的折射率”的實驗中，先將白紙平鋪在木板上并用圖釘固定，玻璃磚平放在白紙上，然后在白紙上確定玻璃磚的界面aa′和bb′.O為直線AO與aa′的交點，甲同學經正確操作插好了四枚大頭針P1、P2和P3、P4.
(1)過P3、P4作直線交bb′于O′，過O′作垂直于bb′
的直線NN′，連接OO′.測量圖中角α和β的大小，則
玻璃磚的折射率n＝______.
(2)如圖(b)所示，甲同學在實驗中將玻璃磚界面aa′和bb′的間距畫得過寬但仍平行.若其他操作正確，則折射率的測量值______(選填“大于”“小于”或“等于”)準確值.
小于
(3)甲同學準確地畫好玻璃磚界面aa′和bb′后，實驗過程中不慎將玻璃磚向下平移了一些.如圖(c)所示，若其他操作正確，則折射率的測量值______(選填“大于”“小于”或“等于”)準確值.
等于
如圖所示，實線表示將玻璃磚向下平移后實際的光路圖，而虛線是作圖時所采用的光路圖，通過比較發現，入射角和折射角沒有變化，則由折射定律知，折射率的測量值等于準確值.
(4)乙同學采用的是梯形玻璃磚，在紙上畫出的界面aa′，bb′與玻璃磚的位置如圖(d)所示，實驗過程和操作均正確，則折射率的測量值______(選填“大于”“小于”或“等于”)準確值.
等于
只要操作正確，測量的結果與玻璃磚的形狀無關，所以乙同學測得的折射率等于準確值.
總結提升
求其他形狀玻璃磚的折射率
“測量玻璃的折射率”實驗中，也可以用三棱鏡、半圓形玻璃磚等進行測量.實驗中只要利用“插針法”定出入射光線和出射光線，其與界面的交點就是入射點和出射點，連接入射點和出射點就能作出折射光線，一樣可以測出折射率.光路圖如圖所示.
5.某同學測量玻璃磚的折射率，準備了下列器材：激光筆、直尺、刻度尺、一面鍍有反射膜的平行玻璃磚.如圖所示，直尺與玻璃磚平行放置，激光筆發出的一束激光從直尺上O點射向玻璃磚表面，在直尺上觀察到A、B兩個光點，讀出OA間的距離為20.00 cm，AB間的距離為6.00 cm，測得圖中直尺到玻璃磚上表面距離d1＝10.00 cm，玻璃磚厚度d2＝4.00 cm.玻璃的折射率n＝____，光在玻璃中的傳播速度v＝________ m/s(光在真空中的傳播速度c＝3.0×108 m/s，結果均保留兩位有效數字).
1.2
2.5×108
作出光路圖如圖所示，
根據幾何知識可得入射角i＝45°，
設折射角為r，
實驗：測量玻璃的折射率
一、實驗思路
二、實驗器材
三、實驗步驟
四、數據分析
五、誤差分許與注意事項
實驗原理：
1.公式法（平均值法）
2.圖像法：作sin θ1－sin θ2圖像，其斜率為折射率
3.單位圓法
玻璃磚、白紙、木板、大頭針四枚、圖釘(3～4枚)、量角器、直尺、鉛筆．
1.固定白紙 2.確定光路圖
3.測量入射角和折射角 4.重復實驗(共25張PPT)
第四章
4
專題：光的折射與全反射
1
熟練掌握不同色光折射和全反射的規律.
2
熟練運用幾何關系找出邊、角關系，并根據反射定律、折射定律解決有關問題.
重點
難點
不同色光的折射和全反射的比較
觀察與思考
1.光的色散
(1)定義：含有多種顏色的光(復色光)被分解為單色光的現象.
(2)光的顏色由頻率決定，與介質無關.由光速c ＝λf知，不同顏色的光，波長不同.
(3)白光是復色光，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫
七種顏色的光組成，從紅到紫頻率依次增大.
2.折射時的色散
一束白光通過三棱鏡分散為七色光，其中紅光在上紫光在下，如圖所示.說明同種介質對不同色光的折射率不同.對紅光的折射率最小，對紫光的折射率最大.頻率越大，光的折射率越大.
3.不同色光的比較
可見光中，由于不同顏色光的頻率并不相同，它們在發生折射和全反射時也有許多不同，如下表：
　　顏色 項目 紅橙黃綠青藍紫
頻率 低→高
波長 大→小
同一介質中的折射率 小→大
大→小
大→小
通過棱鏡的偏折角 小→大
導練
1.(2022·達州一中月考)很多公園的水池底部都裝有彩燈，當一細束由紅藍兩色組成的燈光，從水中斜射向空氣時，關于光在水面可能發生的反射和折射現象，下列光路圖中正確的是
√
2.(多選)(2021·遼寧高二期中)中國歷史上有很多古人對很多自然現象有深刻認識.張志和在《玄真子·濤之靈》中寫道：“雨色映日而為虹”.從物理學角度看，虹是太陽光經過雨滴的兩次折射和一次反射形成的.如圖是彩虹成因的簡化示意圖，其中a、b是兩種不同頻率的單色光，則關于這兩種色光，下列說法正確的是
A.在同種玻璃中傳播，a光的波長一定小于b光波長
B.在同種玻璃中傳播，a光的傳播速度一定小于b光的速度
C.以相同角度斜射到同一玻璃板，透過兩個平行的表面
　后，a光側移量大
D.以相同的入射角從水中射入空氣，若在空氣中只能看到一種頻率的光，
　則一定是a光
√
√
√
光線斜射到玻璃表面，折射光偏轉程度越大，偏移量越大，即a光側移量大，選項C正確；
幾何光學的綜合問題
觀察與思考
幾何光學就是以光線為工具，研究光的傳播規律.解幾何光學的題目，首先根據幾何光學的基本原理畫出光路圖，然后利用幾何關系找出相應的角、邊關系.
幾何光學研究的是光線傳播的規律，主要包括五條基本規律.
(1)光的直線傳播規律：光在同一種均勻介質中沿直線傳播.
(2)光的反射定律
①反射光線與入射光線、法線在同一平面內，反射光線、入射光線分居在法線兩側.
②反射角等于入射角.
(3)光的折射定律
折射光線與入射光線、法線在同一平面內，折射光線與入射光線分居在
法線兩側；入射角的正弦與折射角的正弦成正比.公式：n12＝ .
(4)光的全反射規律
發生全反射的條件是：
①由光密介質射向光疏介質；
②入射角θ≥臨界角C，其中sin C＝ .
(5)光的可逆原理
在光的反射、折射和直線傳播中，光路都是可逆的.
導練
3.如圖所示，一個三棱鏡的橫截面是直角三角形ABC，∠A＝30°，∠C＝90°，一束與BC面成θ＝30°角的光線射向BC面的中點O處，經AC面發生全反射后，最后從AB面射出，出射光線平行于AC面.已知光在真空中傳播速度為c.
(1)求玻璃磚的折射率；
設玻璃磚的折射率為n，由題意可知光路圖如圖所示，
由折射定律，在BC面上有sin 60°＝nsin r
因在AC面發生全反射，由幾何關系知∠ODC＝∠DOM＝∠EDF＝r，
而∠EFA＝60°，在AB面上由折射定律sin 60°＝nsin∠DEF，則∠DEF＝r，
故2r＝60°，則r＝30°.
(2)若BC邊長為L，求光線經過玻璃磚的時間.
4.老師上課喜歡用紅色激光筆，它發出的紅光用來投映一個光點或一條光線指向物體，如圖甲所示，AB為半圓的直徑，O為圓心，在O點左側用紅色激光筆從E點垂直AB射入的紅光進入半球形介質后在上表面的入射角恰好等于全反射的臨界角C＝45°.
(1)求半球形介質的折射率；
答案　45°　30°
光線沿AB方向射向內球面，剛好發生全反射，在B點的入射角等于臨界角C.
則A點處光線的折射角r＝30°
得A點處光線的入射角i＝45°.
總結提升
解決幾何光學問題的基本思路
2.畫光路圖，利用幾何知識分析邊、角關系并注意判斷能否發生全反射.根據折射定律、全反射規律、正弦定理、三角函數等進行有關計算.
視深與實際深度的關系問題
觀察與思考
(1)視深是人眼垂直物體界面看透明物質內部某物體的像離界面的距離.在中學階段，只研究沿著界面的法線方向進行觀察的問題.
思考與討論
河中有條小魚，某時刻小魚的實際深度為H，一人從水面正上方往水中看，他感覺到的小魚的深度為多深？(設水的折射率為n，在角度很小的情況下，sin θ≈tan θ)
答案　如圖所示，設小魚在S處，從魚身上反射的一條光線SO垂直水面射出，反射出的另一條光線SO1與SO間的夾角很小，則θ2、θ1為一組對應的入射角和折射角，θ1、θ2均很小.
由數學知識可知
總結提升(共26張PPT)
第四章
9
章末復習
1
理解光的折射定律，會計算折射率，了解全反射的應用.
2
掌握光的干涉和衍射知識及明暗條紋的判斷方法.
3
掌握測量玻璃的折射率實驗及光的雙縫干涉實驗.
重難點
重難點
重點
幾何光學
觀察與思考
1.常見光學介質模型：
類別 項目 平行玻璃磚 三棱鏡 圓柱體(球)
結構 玻璃磚上下表面是平行的 橫截面為三角形的三棱鏡 橫截面是圓
對光線 的作用 通過平行玻璃磚的光線不改變傳播方向，但要發生側移 通過三棱鏡的光線經兩次折射后，出射光線向棱鏡底邊偏折
圓界面的法線是過圓心的直線，經過兩次折射后向圓心偏折
應用 測定玻璃的折射率 全反射棱鏡，改變光的傳播方向 改變光的傳播方向
2.分析幾何光學綜合問題的基本思路
(1)判斷光線是從光疏介質進入光密介質還是從光密介質進入光疏介質.
(2)判斷是否發生全反射現象，即入射角是否大于等于臨界角.
(3)畫出反射、折射或全反射的光路圖，然后結合幾何知識進行推斷和求解相關問題.
3.求光的傳播時間的一般思路
(2)全反射現象中，光的傳播路程應結合光路圖與幾何關系進行確定.
導練
A.出射光線的頻率變小
B.改變入射角α的大小，細激光束可能在玻璃球的內表面發生全反射
D.激光束的入射角為α＝45°
√
光在不同介質中傳播時，頻率不會發生改變，所以出
射光線的頻率不變，故A錯誤；
激光束從C點進入玻璃球時，無論怎樣改變入射角，折射角都小于臨界角，根據幾何知識可知光線在玻璃球內表面的入射角不可能大于臨界角，所以不可能發生全反射，故B錯誤；
(1)光學元件的折射率n；
作出光路圖如圖所示
由幾何知識得E點處入射角為i＝60°
折射角r為30°，
(2)光線在AB邊是否發生全反射；
答案　光線在AB邊發生全反射
由幾何知識得光線在AB邊的入射角為θ＝60°
所以光線在AB邊將發生全反射.
(3)光線在光學元件內傳播時間t(不考慮光的多次反射).
由幾何知識知光線在AD邊入射角為30°，所以光線將從AD邊的G點射出
EF＝2Rcos 30°
2FGcos 30°＝AF
3.(2022·河北卷)如圖，一個半徑為R的玻璃球，O點為球心.球面內側單色點光源S發出的一束光在A點射出，出射光線AB與球直徑SC平行，θ＝30°.光在真空中的傳播速度為c.求：
(ⅰ)玻璃的折射率；
光路圖如圖所示，
根據幾何關系可知i1＝θ＝30°，i2＝60°
(ⅱ)從S發出的光線經多次全反射回到S點的最短時間.
根據幾何關系可知當θ＝45°時，即光路為圓的內接正方形，
從S發出的光線經多次全反射回到S點的時間最短，
物理光學
觀察與思考
1.雙縫干涉
(1)圖樣特點：單色光照射時，形成明暗相間的等間距的干涉條紋；白光照射時，中央為白色亮條紋，其余為彩色條紋.
(3)明暗條紋的判斷方法：
如圖所示，相干光源S1、S2發出的光到屏上P′點的路程差為Δr＝r2－r1.
當Δr＝kλ(k＝0，1，2…)時，光屏上P′處出現明條紋.
2.薄膜干涉
(1)明暗條紋的判斷方法：
兩個表面反射回來的兩列光波的路程差Δr，等于薄膜厚度的2倍.
在P1、P2處，Δr＝nλ(n＝1，2，3…)，薄膜上出現明條紋.
(2)薄膜干涉條紋特點
①單色光：明暗相間的水平條紋.
②白光：彩色水平條紋.
導練
4.(2022·湖南衡陽市高二期末)關于光的特性，下列描述正確的是
A.一束自然光通過兩個相互垂直的偏振片后沒有光了，說明光是縱波
B.雨后路面上的油膜形成彩色的條紋，是光的衍射現象
C.光照射到不透明的小圓盤上，在小圓盤背后陰影區出現泊松亮斑是光
　的衍射現象
D.分別用單色紅光和單色綠光通過同一雙縫干涉裝置，后者條紋間距較寬
√
一束自然光通過兩個相互垂直的偏振片后沒有光了，說明光是橫波，A錯誤；
雨后路面上的油膜形成彩色的條紋，是光的薄膜干涉現象，B錯誤；
光照射到不透明的小圓盤上，在小圓盤背后陰影區出現泊松亮斑是光的衍射現象，C正確；
5.(多選)(2022·山東卷)某同學采用圖甲所示的實驗裝置研究光的干涉與衍射現象，狹縫S1、S2的寬度可調，狹縫到屏的距離為L.同一單色光垂直照射狹縫，實驗中分別在屏上得到了圖乙、圖丙所示圖樣.下列描述正確的是
A.圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當光通過狹縫時，也發生了衍射
B.遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，其他條件不變，圖丙中亮條紋寬度增大
C.照射兩條狹縫時，增加L，其他條件不變，圖乙中相鄰暗條紋的中心間距增大
D.照射兩條狹縫時，若光從狹縫S1、S2到屏上P點的路程差為半波長的奇數倍，
　P點處一定是暗條紋
√
√
√
題圖乙中間部分為等間距條紋，所以
題圖乙是光的雙縫干涉圖樣，當光通
過狹縫時，同時也發生衍射，故A正確；
狹縫越小，衍射范圍越大，衍射條紋越寬，遮住一條狹縫，另一狹縫寬度增大，則衍射現象減弱，題圖丙中亮條紋寬度減小，故B錯誤；
照射兩條狹縫時，若光從狹縫S1、S2到屏上P點的路程差為半波長的奇數倍，P點處一定是暗條紋，故D正確.
光學實驗
導練
6.(2022·山東泰安市期中)(1)如圖所示，用插針法測定玻璃磚折射率的實驗中，下列說法中正確的是____.
A.若P1 、P2 的距離較大，通過玻璃磚會看不到
　P1 、P2的像
B.為減小測量誤差，P3 、P4的距離適當取大些
B
即使P1、P2的距離較大，通過玻璃磚仍然可以看到P1、P2的像，選項A錯誤；
為了減少作圖誤差，P3和P4的距離應適當取大些，選項B正確；
(2)在該實驗中，光線是由空氣射入玻璃磚，根據測得的入射角和折射角的正弦值畫出的圖線如圖所示，從圖線可知玻璃磚的折射率是_____.
1.5
(3)該實驗小組選取了操作正確的實驗記錄，在白紙上畫出光線的徑跡，以入射點O為圓心作圓，與入射光線、折射光線分別交于A、B點，再
過A、B點作NN′的垂線，垂足分別為C、D點，如圖甲所示，則
玻璃的折射率n＝_____(用圖中線段的字母表示)；進一步測得所
需數據分別為1.68 cm和1.12 cm，則該玻璃磚的折射率為_____.
1.5
甲
(4)在用插針法測定玻璃磚折射率的實驗中，甲、乙兩位同學在紙上畫出的界面aa′、bb′與玻璃磚位置的關系分別如圖乙(a)、(b)所示，他們的其他操作均正確，且均以aa′、bb′為界面作光路圖.則甲同學測得的折射率與真實值相比______(填“偏大”“偏小”或“不變”)；
乙同學測得的折射率與真實值相比______(填
“偏大”“偏小”或“不變”)
偏小
不變
乙
題圖乙(a)甲同學測定折射率時，作出的折射光線如圖中虛線所示，
實線表示實際光線，可見折射角增大，
則由折射定律可知，折射率將偏小；
題圖乙(b)乙同學測折射率時，主要操作正確，與玻璃磚形狀無關，
故乙同學測得的折射率與真實值相比不變.

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