浙江鸭2019年高考物理二轮复习专题24实验:测定玻璃的折射率和用双缝干涉测量光的波长试题含解析.pdf
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1、专题 24 实验:测定玻璃的折射率和用双缝干涉测量光的波长专题 24 实验:测定玻璃的折射率和用双缝干涉测量光的波长 测定玻璃的折射率测定玻璃的折射率 1实验原理 1实验原理 如实验原理图 1 甲所示,当光线AO以一定的入射角1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OB,从而求出折射光线OO和折射角2,再根据n或n sin 1 sin 2 EH EH 计算出玻璃的折射率 图 1 2实验器材2实验器材 木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、量角器、三角板、铅笔 3实验步骤3实验步骤 (1)用图钉把白纸固定在木板上 (2)在白纸上画一条直线aa,并取aa上的一点O为入射点
2、,作过O点的法线NN. (3)画出线段AO作为入射光线,并在AO上插上P1、P2两根大头针 (4)在白纸上放上玻璃砖,使玻璃砖的一条长边与直线aa对齐,并画出另一条长边的对齐线bb. (5)眼睛在bb的一侧透过玻璃砖观察两个大头针并调整视线方向,使P1的像被P2的像挡住,然后 在眼睛这一侧插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像,再插上P4,使P4挡住P3和P1、P2的像 (6)移去玻璃砖,拔去大头针,由大头针P3、P4的针孔位置确定出射光线OB及出射点O,连接O、 O得线段OO. (7)用量角器测量入射角1和折射角2,并查出其正弦值 sin 1和 sin 2. (8)改变入射角,重复实验,算
3、出不同入射角时的,并取平均值 sin 1 sin 2 4数据处理 (1)计算法:用量角器测量入射角1和折射角2,并查出其正弦值 sin 1和 sin 2.算出不同入 射角时的,并取平均值 sin 1 sin 2 (2)作 sin 1sin 2图象 : 改变不同的入射角1,测出不同的折射角2,作 sin 1sin 2图 象,由n可知图象应为直线,其斜率为折射率 sin 1 sin 2 (3)“单位圆”法确定 sin 1、sin 2,计算折射率n. 以入射点O为圆心,以一定的长度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EH.如实验原理图所
4、示, sin 1, sin 2,OE EH OE EH OE OER,则n.只要用刻度尺量出EH、EH的长度就可以求出n. sin 1 sin 2 EH EH 实验中注意事项:实验中注意事项: (1)玻璃砖应选厚度、宽度较大的。 (2)入射角不宜过大或过小,一把为 1575。 (3)用手拿玻璃砖时,手只能接触玻璃砖的毛面或棱,不能触摸光洁的光学面,严禁把玻璃砖当尺子 画玻璃砖的另一边bb。 (4)实验过程中,玻璃砖在纸上的位置不可移动。 (5)大头针应竖直地插在白纸上,且玻璃砖每两枚大头针P1与P2间、P3与P4间的距离应大一点,以 减小确定光路方向时造成的误差。 1 (1) 实验室有一梯形玻
5、璃砖, 某同学想用 “插针法” 测定玻璃的折射率。 玻璃砖有 4 个光学面 A、 B、 C、 D, 如图所示,其中 A、C 两面相互平行,实验中该同学对入射面和出射面的认识正确的是( ) A只能选用 A、C 两面 B可以选用 A、B 两面 C不能选用 B、D 两面 (2) 该同学在选用 A、C 两面进行实验时,正确操作后,做出的光路图及测出的相关角度如图所示。此玻 璃的折射率计算式为 n= _ (用图中的 1、 2表示) 。 【答案】【答案】 (1)B (2) 【解析】【解析】 (1)应用插针法测玻璃的折射率实验时,在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针 P1、P2,透过玻璃砖观察大 头针 P1、
6、P2的像, 调整视线方向, 直到 P2档住 P1的像 ; 再在观察的这一侧插两枚大头针 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,由图 1 所示玻璃砖可知,实验时可以用 A、C 两面、或 用 A、B 两面、或用 A、C 两面、或用 B、D 两面进行实验,故 B 正确,AC 错误;故选 B。 (2)由图 2 所示可知,玻璃的折射率:; 折射率等于光从真空(空气)射入介质时入射角的正弦值与折射角的正弦值之比,根据图示情景应用折射 率的定义式可以求出玻璃的折射率。 2如图所示,某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率。先在平铺的白纸上
7、放半圆形玻璃砖,用铅笔 画出直径所在的位置MN、圆心O以及玻璃砖圆弧线(图中半圆实线) ;再垂直纸面插大头针P1、P2确定入射 光线,并让入射光线过圆心O;最后在玻璃砖圆弧线一侧垂直纸面插大头针P3,使P3挡住P1、P2的像。移 走玻璃砖, 作出与圆弧线对称的半圆虚线, 过O点作垂直于MN的直线作为法线 ; 连接OP2P1, 交半圆虚线于B 点,过B点作法线的垂线交法线于A点 ; 连接OP3,交半圆实线于C点,过C点作法线的垂线交法线于D点。 (1)测得AB的长度为l1,AO的长度为l2,CD的长度为l3,DO的长度为l4。计算玻璃砖折射率n的公式 是n=_(选用l1、l2、l3或l4表示)
8、。 (2)该同学在插大头针P3前,不小心将玻璃砖以O为轴顺时针转过一个小角度,该同学测得的玻璃砖折射 率将_(选填“偏大”“偏小”或“不变” ) 。 【答案】【答案】 (1)l1/l3 (2)偏大 【解析】【解析】 用插针法测定半圆形玻璃砖折射率的原理是折射定律, 利用几何知识得到入射角的正弦和折 射角的正弦,推导出折射率的表达式,即可知道所要测量的量 (1)设圆的半径为 R,由几何知识得入射角的正弦为:sini=sinAOB=; 折射角的正弦为:sinr=sinDOC= 根据折射定律 (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,折射光线将顺时针转动,而 作图
9、时其边界和法线不变,则入射角(玻璃砖中的角)不变,折射角(空气中的角)减小,由折射率公式 可知,测得玻璃砖的折射率将偏大。 3如图 1 所示,某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中,先将白纸平铺在木板上并用图钉固定,玻璃砖 平放在白纸上,然后在白纸上确定玻璃砖的界面aa和bb.O为直线AO与aa的交点。在直线OA上竖 直地插上P1、P2两枚大头针。 该同学接下来要完成的必要步骤有_ A插上大头针P3,使P3仅挡住P2的像 B插上大头针P3,使P3挡住P1的像和P2的像 C插上大头针P4,使P4仅挡住P3 D.插上大头针P4,使P4挡住P3和P1、P2的像 过P3、P4作直线交bb于O,过O作垂直
10、于bb的直线NN,连接OO.测量图 1 中角和的 大小。则玻璃砖的折射率n=_. 如图 2 所示,该同学在实验中将玻璃砖界面aa和bb的间距画得过宽。若其他操作正确,则折射率的 测量值_准确值(选填“大于” 、“小于”或“等于” ). 另一位该同学准确的画好玻璃砖界面aa和bb后,实验过程中不慎将玻璃砖向下平移了一些。如图 3 所示,二实验若其他操作均正确,则折射率的测量值_准确值(选填“大于” 、“小于”或“等于” ). 【答案】【答案】BD 小于 等于 【解析】【解析】 (1)该同学接下来要完成的必要步骤有 : 确定 P3大头针的位置的方法是插上大头针 P3,使 P3能挡住 P1、P2 的
11、像。确定 P4大头针的位置的方法是大头针 P4能挡住 P3和 P1、P2的像。P3和 P1、P2的像,故该同学接下来 要完成的必要步骤有:BD。 (2)应根据折射定律得:玻璃砖的折射率为 n=; (3)将玻璃砖界面 aa和 bb的间距画得过宽但仍平行,而其他操作正确,导致 角偏大,由于 n=, 故折射率的测量值将偏小。 (4)如图所示,虚线表示将玻璃砖向下平移后实际的光路图,而实线是作图时所采用的光路图,通过比较 发现,入射角和折射角没有变化,则由折射定律得知,该同学测得的折射率将不变。 4在“测定玻璃的折射率”的实验中,在白纸上放好玻璃砖,aa和bb分别是玻璃砖与空气的两个界面, 如图所示在
12、玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2,用“”表示大头针的位置,然后在另一侧透过玻璃 砖观察,并依次插上大头针P3和P4.在插P3和P4时,应使( ) AP3只挡住P1的像 BP4只挡住P2的像 CP3同时挡住P1、P2的像 DP3插在P1、P2的延长线上 【答案】【答案】C 【解析】【解析】根据实验的原理,连接 P1、P2表示入射光线,连接 P3、P4表示出射光线,连接两光线与玻璃砖的 交点,即为折射光线。实验的过程中,要先在白纸上放好玻璃砖,在玻璃砖的一侧插上两枚大头针 P1和 P2, 然后在玻璃砖另一侧观察,调整视线使 P1的像被 P2的像挡住,接着在眼睛所在另一侧相继又插上两枚大头 针
13、P3、P4,使 P3挡住 P1、P2的像,使 P4挡住 P3和 P1、P2的像。故 ABD 错误,C 正确。故选 C。 5在用插针法测定某特种玻璃的折射率的实验中指出以下两图中的不当之处: 甲:_, 乙:_ 【答案】【答案】入射角太小 不能用手触摸玻璃光学面(或不能拿玻璃当尺子) 【解析】【解析】在做测玻璃折射率的实验中,为了减小误差应该适当的增大入射角,所以甲的不当之处就是入射 角太小了;在做测玻璃折射率的实验中,不能直接用玻璃砖当尺子用,且不要用手直接触摸光学面,这样 会损坏玻璃砖,所以乙的不当之处是:用手触摸玻璃光学面(或拿玻璃当尺子) 6在“测定玻璃的折射率”的实验中, (1)小朱同学
14、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_(填“A” 、“B”或“C” ) 。 (2)小红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,她在直线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 其中她确定P3大头针位置的方法应当是_。 操作完成后, 她用圆规作了一个以O为圆心、 半径与玻璃砖半径相同的半圆(如图丙
15、中虚线所示) ,则她测出玻璃的折射率n_。 【答案】【答案】 (1)大头针 B (2)挡住 P1P2的像 1.5 【解析】【解析】 依据实验原理, 及提供的实验器材, 即可求解 ; 测定半圆形玻璃砖的折射率的原理是折射定律, 他确定 P3大头针位置的方法应当是透过玻璃砖看,P3大头针挡住 P1、P2两枚大头针的像;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,运用数学知识求出入射角和折射角的正弦值,求出折射率; 解:(1)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,还缺少刻度尺、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
16、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:, 其中,则折射率; 7在用插针法测定玻璃砖的折射率的实验中,甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面aa、bb与玻璃砖 位置的关系分别如图、和所示,其中甲、丙两同学用的是矩形玻璃砖,乙同学用的是梯形玻璃 砖他们的其他操作均正确,且均以aa、bb为界面画光路图 (1) 甲同学测得的折射率与真实值相比_(填 “偏大” “偏小” “不变” 或 “可能偏大、 可能偏小、 可能不变”
17、) (2) 乙同学测得的折射率与真实值相比_(填 “偏大” “偏小” “不变” 或 “可能偏大、 可能偏小、可 能不变” ) (3)丙同学测得的折射率与真实值相比_ (填“偏大”“偏小” “不变” 或“可能偏大、可能偏 小、可能不变” ) 【答案】 (1)【答案】 (1)偏小;(2)不变;(3)可能偏大,可能偏小,可能不变; 【解析】【解析】 用插针法测定玻璃砖折射率的实验原理是折射定律, 作出光路图, 确定折射光线的偏折情况, 分析入射角与折射角的误差,来确定折射率的误差。 (1)甲同学测量的光路图如图甲所示,真实值,测量值,因,故,所以甲同学测得 的折射率与真实值相比偏小; (2)乙同学测
18、量的光路图如图乙所示,测量值,与真实值相等; (3)丙同学的测量可能出现三种可能,光路图如图丙所示,当出射点为c时,测量值与真实值相同,当出 射点在c左侧时,测量值小于真实值,当出射点在c点右侧时,测量值大于真实值,故丙同学测得的折射 率与真实值相比可能偏大,可能偏小,可能不变; 故答案为:(1)偏小;(2)不变;(3)可能偏大,可能偏小,可能不变。 用双缝干涉测量光的波长用双缝干涉测量光的波长 1实验装置1实验装置(如图 1 所示) 图 1 2实验原理2实验原理 (1)根据公式 x得 x. l d d l (2)用刻度尺测出双缝到光屏的距离l,用测量头调节清晰的干涉条纹,测出n个亮纹间的距离
19、a, 则 x.双缝间距d是已知的,这样就可以计算出波长. a n1 3实验器材3实验器材 双缝干涉仪,即:光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头,另外还有学生 电源、导线、刻度尺 4实验步骤4实验步骤 (1)观察双缝干涉图样 将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上,如实验原理图 1 所示 接好光源,打开开关,使灯丝正常发光 调节各器件的高度,使光源灯丝发出的光能沿遮光筒轴线到达光屏 安装单缝和双缝,尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上,使单缝与双缝平行,二者间距约为 510 cm. 在单缝和光源间放上滤光片,观察单色光的干涉条纹 (2)测定单色光的波长 安装测量头,调节至可
20、清晰观察到干涉条纹 使分划板中心刻线对齐某条亮条纹的中央,记下手轮上的读数,将该条纹记为第 1 条亮条纹;转动 手轮,使分划板中心刻线移动至另一亮条纹的中央,记下此时手轮上的读数,将该条纹记为第n条亮条纹, 测出n条亮条纹间的距离a,则相邻两亮条纹间距 x. a n1 用刻度尺测量双缝到光屏间距离l(d是已知的) 重复测量、计算,求出波长的平均值 5数据处理5数据处理 (1)条纹间距的计算:移动测量头的手轮,分划板中央刻线在第 1 条亮纹中央时读数为a1,在第n条 亮纹中央时读数为an,则。 (2)根据条纹间距与波长的关系 d l x 得x l d ,其中d为双缝间距,l为双缝到屏的距离。 (
21、3)测量时需测量多组数据,求的平均值。 1注意事项1注意事项 (1)调节双缝干涉仪时,要注意调整光源的高度,使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮 (2)放置单缝和双缝时,缝要相互平行,中心大致位于遮光筒的轴线上 (3)调节测量头时,应使分划板中心刻线和亮条纹的中心对齐,记清此时手轮上的读数,转动手轮, 使分划板中心刻线和另一亮条纹的中心对齐,记下此时手轮上的读数,两次读数之差就表示这两条亮条纹 间的距离 (4)不要直接测 x,要测多条亮条纹的间距再计算得到 x,这样可以减小误差 (5)白光的干涉观察到的是彩色条纹,其中白色在中央,红色在最外层 2误差分析2误差分析 (1)双缝到光屏的距离
22、l的测量存在误差 (2)测条纹间距 x带来的误差: 干涉条纹没有调整到最清晰的程度 误认为 x为亮(暗)条纹的宽度 分划板刻线与干涉条纹不平行,中心刻线没有恰好位于亮(或暗)条纹中心 测量多条亮条纹间的距离时读数不准确,此间距中的条纹数未数清 1如图所示,是用光传感器做双缝干涉的实验装置。激光光源在铁架台的最上端,中间是刻有双缝的挡板, 下面是光传感器。光传感器是一个小盒,在图中白色狭长矩形部分,沿矩形的长边分布着许多光敏单元。 这个传感器各个光敏单元得到的光照信息经计算机处理后,在荧光屏上显示出来。 下列关于本实验的操作与叙述正确的是_(填字母) ; A应该在光源和双缝之间加一个单缝,才能使
23、实验成功 B下移光源,使之更靠近刻有双缝的挡板,则干涉条纹间距减小 C光源不动,下移双缝挡板,使之更靠近光传感器,则干涉条纹间距减小 D保持光源和双缝挡板的距离不变,同时下移它们,使它们靠近光传感器,则干涉条纹间距不变 用激光替代普通光源来做本实验,最主要是利用了激光的_(填字母) ; A相干性高 B平行度好 C亮度高 【答案】 (1)【答案】 (1)C (2) A 【解析】【解析】 因激光的相干性高,则光源和双缝之间不需要加一个单缝,故 A 错误 ; 根据双缝干涉条纹的间距公式x= 知,若下移光源,使之更靠近刻有双缝的挡板,减小光源与双缝间距,但干涉条纹间距不变,故 B 错误 ; 光源不动,
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