测量玻璃折射率

一、实验定位

测玻璃折射率训练三件事:

  1. 用大头针还原光路;
  2. 正确作法线并测入射角、折射角;
  3. 用折射定律计算折射率并分析误差。

它对应教材中的 04-光,也和 几何光学模型 中的“先画法线、再写折射定律”完全一致。

二、实验原理

折射定律:

空气到玻璃时,空气折射率近似为 1,故:

其中 是入射角, 是折射角,二者都必须从法线量起,不能从玻璃砖边界量起。

平行玻璃砖的特点:

入射光线与出射光线平行
但二者之间有侧向位移

几何光学方程

三、器材与作用

器材作用常见错误
平行玻璃砖提供两次折射描边后又移动玻璃砖
白纸、木板固定作图平面纸张移动导致光路失效
大头针确定入射光线和出射光线针距太近,方向误差大
直尺、量角器连线、作法线、测角把出射角当折射角

四、操作流程

  1. 在白纸上固定玻璃砖,描出上下两个边界。
  2. 在玻璃砖一侧插两枚大头针 ,确定入射光线。
  3. 从另一侧透过玻璃砖观察,使后插的 的像共线。
  4. 移去玻璃砖,连接 得入射光线,连接 得出射光线。
  5. 延长入射光线和出射光线,与两边界交于入射点、出射点。
  6. 在入射点作法线,连接玻璃砖内折射光线。
  7. ,用 计算折射率。

五、作图关键

关键动作标准做法为什么
描边先描边,再插针、观察后续法线依赖边界
四针共线 挡住 的像保证出射光线方向准确
作法线过入射点垂直玻璃砖边界入射角、折射角都从法线量
连玻璃内光路入射点连出射点得到折射光线方向
取多组角度改变入射角重复测量减小偶然误差

六、数据处理

1. 单组计算

不要写成:

折射定律是正弦关系,角度本身的比值没有物理意义。

2. 多组平均

多次改变入射角,得到:

可取平均:

也可以作 图像。由:

若横轴为 、纵轴为 ,图像斜率就是玻璃折射率

七、入射角选择

入射角不宜过小。原因是:

  • 入射角过小时,入射光线和折射光线夹角小;
  • 量角器读数误差对 的相对影响大;
  • 折射率计算结果波动明显。

但入射角也不宜过大。太大时光路可能靠近玻璃砖边缘,观察和插针困难,也可能让出射点位置不理想。

八、误差分析

误差来源影响改进
大头针间距太近光线方向不准两针距离适当大一些
针未竖直插入观察共线偏差大头针要竖直
描边不准法线方向偏差玻璃砖固定后轻描边界
入射角太小相对误差大取适中入射角
量角器读数粗略 偏差多组测量取平均
把出射角当折射角原理性错误折射角只在玻璃内量

系统误差题通常要求说明“偏大还是偏小”。处理思路不是背结论,而是看测得的 如何变化,再由:

判断结果变化。

九、高频设问与答案

1. 为什么大头针间距不能太近?

两针间距太近时,连线方向对插针误差和读数误差特别敏感,导致入射光线或出射光线方向不准。适当增大针距可以减小方向误差。

2. 为什么不能用入射角与折射角的比值求折射率?

折射定律是正弦比关系:

角度本身的比值不等于折射率。

3. 平行玻璃砖的出射光线有什么特点?

出射光线与入射光线平行,但发生侧向位移。

4. 为什么要先描玻璃砖边界?

玻璃砖边界决定入射点、出射点和法线方向。若边界不准,入射角和折射角都会错。

5. 如果四针没有严格共线,会影响什么?

会影响出射光线方向,从而影响玻璃内折射光线方向和折射角

十、典型例题

例 1:折射率计算

题目:光从空气射入玻璃,入射角 ,折射角 ,求玻璃折射率。

答案

例 2:图像法求折射率

题目:实验得到多组 ,以 为横轴、 为纵轴作图,图线斜率为 。求玻璃折射率。

答案

由:

可知斜率即折射率:

例 3:误差判断

题目:若把折射角 测得偏大,而入射角 基本准确,则测得折射率偏大还是偏小?

答案

偏大,则 偏大,分母变大,所以 偏小。

十一、评分关键词

实验题答案中优先出现这些词:

  • 四针共线;
  • 描出玻璃砖边界;
  • 作法线;
  • 入射角和折射角都从法线量;
  • 多组测量取平均;
  • 针距适当大;
  • 入射角适中;
  • 出射光线与入射光线平行但侧移。

十二、错题回炉

错误表现错因回炉入口
算折射率折射定律记错几何光学模型
角度从界面量法线意识弱光学-试讲稿与教案
出射角当折射角光路还原错误光学实验错题归因
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十三、关联入口