資源簡介

實驗18《測定玻璃的折射率》
一、基本測量工具及其使用
本實驗測量工具只用到量角器或毫米刻度尺，讀數時注意視線垂直于刻度線。
測量數據的有效數字。
①量角器的最小分度值（即精度）為1°，按毫米刻度尺的估讀方法，測量角度誤差最大值為±0.5°，其正弦函數值的誤差在±0.01左右，顯然可以，如果無估讀數，需要在有效數字的末位補“0”表示最小分度值，說明實驗測量的準確度。
②用毫米刻度尺測量是另一種處理數據的方法來驗證折射定律和計算折射率，可以估讀到0.01~0.9mm，若無估讀數，應在有效數字末位補“0”表示最小分度值，一般可得到2~3位有效數字。
二、實驗條例與點撥
實驗目的
測定玻璃的折射率
實驗原理
用插針法確定逃跑，找出跟入射線相應的折射線；用量角器測出入射角i和折射角r；根據折射定律計算出玻璃的折射率。
實驗器材
①平木板②白紙③玻璃磚④大頭針4枚⑤圖釘4個⑥量角器（或三角板或直尺）⑦鉛筆
〖點撥〗玻璃磚要選用寬度較大的，宜在5厘米以上，若寬度過小，則測量折射角度值的相對誤差增大。
實驗步驟：
（1）如圖所示，在用4個圖釘釘好的白紙上畫一條直線AA′作為界面。
（2）過AA′上的一點O畫出界面的法線MN。
（3）過O點畫一條射線AO作入射光線。
〖點撥〗入射角i應在15°~75°范圍內取值，若入射角i過大。則由大頭針P1、P2射入玻璃中的光線量減少，即反射光增強，折射光減弱，且色散較嚴重，由玻璃磚對面看大頭針的虛像將暗淡，模糊并且變粗，不利于瞄準插大頭針P3、P4。
若入射角i過小，折射角將更小，測量誤差更大，因此畫入射光線AO時要使入射角i適中。
（4）在射線AO上插上兩枚大頭針P1、P2。
（5）把長方形玻璃磚放在白紙上，使它的一條長邊跟AA′bb′兩條線準確地落在玻璃磚的兩個平行的折射畫里，這樣，由作圖畫出的入射光線AO、出射光線EF與AA′、bb′的交點O、E才能與光線的實際入射點相符，否則將使畫出的玻璃中折射光線的光路與實際偏離，因此作圖時要用細鉛筆。
（6）在觀察的這一側即光線的出射面bb′一側插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2的像，P4擋住P1、P2、P3的像，記下P3、P4的位置。
〖點撥〗上面所說大頭針擋住大頭針的像是指“沉浸”在玻璃磚里的那一截，不是看超過玻璃磚上方的大頭針針頭部分，即順P3、P4的方向看眼前的直線P3、P4和玻璃磚后的直線P1、P2的虛像是否成一直線，若看不出歪斜或側移光路即可確定。
大頭針P2、P3的位置應靠近玻璃磚，而P1和P2、P3和P4應盡可能遠些，針要垂直紙面，這樣可以使確定的光路準確，減小入射角和折射角的測量誤差。
（7）移去玻璃磚連接P3、P4并延長交bb′于E，連接OE即為折射光線，入射角i=∠AOM，折射角γ=∠EON。
（8）改變入射角i，重復實驗步驟，列表記錄相關測量數據，計算每次折射率n求出平均值。
注意事項：
1．玻璃磚要厚，用手拿玻璃磚時，只能接觸玻璃毛面或棱，嚴禁用玻璃磚當尺子畫界面；
2．入射角應在15°到75°之間；
3．大頭針要豎直插在白紙上，且玻璃磚每一側兩枚大頭針P1與P2間、P3與P4間的距離應大一些，以減少確定光路方向時造成的誤差；
4．玻璃磚的折射面要畫準；
5．由于要多次改變入射角重復實驗，所以入射光線與出射光線要一一對應編號，以免混亂。
實驗記錄：
測量數
次數
測角度（方法一）n=sini/sinγ
測線段（方法二）n=GD/BC
i
sini
γ
sinγ
n
GD（mm）
BC（mm）
n
1
2
3
〖點撥1〗測入射角和對應的折射角，有人將入射角i用三角板畫出特殊角度30°、45°、60°，因取值范圍在15°~75°之間是可以的，但折射角的數值還是需要量角器來測量。
〖點撥2〗實驗步驟不變，只有處理數據的方法改變，在左下圖中，入射光線AO和折射光線OE的延長線上截取等長的線段GO和OC，為了減小誤差，這線段應盡量大于10厘米，過G、G分別作法線MN的垂線GD和BC，用毫米刻度尺量出GD和BC的長度，則折射率n=GD/BC。

〖點撥3〗如上圖中圖甲所示的OP線是一種理想狀態，出現圖線①則是因入射角i測量值偏大，折射角的測量值反而偏小；出現圖線②則可能是因入射角的測量值偏小或折射角的測量值偏大。
從圖象直觀看出，光由真空（或空氣）射入玻璃（或水）中，入射角、折射角以及它們的正弦值是可以改變的，且正弦值之比是個常數，這個常數對不同介質是不同的。
〖點撥4〗實驗對測量結果影響最大的是測量光在玻璃中折射角γ的誤差，其誤差主要來源是：①玻璃磚的寬度太窄。②入射角i過大或入射角i過小，過大則反射光較強，出射光較弱。③玻璃磚的兩個平行的折射面未與兩條平行輪廓線完全重合好。或因玻璃磚移動，或因畫線太粗。④大頭針離玻璃磚偏遠，而大頭針之間間距偏小。
實驗中易混淆的是：入射角與法線的夾角（入射角）和入射線與界面的夾角。
易錯的是：入射角與折射角的界面取錯，因而代入公式n=sini/sinr的值算錯。
易忘的是：大頭針P3、P4的位置漏記。
實驗結論：對玻璃的入射光線取不同的入射角得到的玻璃的折射率是很接近的，在誤差范圍內，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比。
三、實驗變通
【變通1】器材不變，介質不變，形狀變。
用一厚度均勻的圓形玻璃做測定玻璃的實驗，其簡要步驟如下：
1．在白紙上做一個與圓形玻璃等半徑的圓，定出圓心O。
2．將圓形玻璃平放在白紙上，使其邊界與所畫的圓重合。
3．在圓玻璃一側豎直插上兩枚大頭針P1和P2。
4．在另一側豎直插兩枚大頭針P3和P4，隨P3、P4的方向，隔著玻璃觀察大頭針P3、P4和P2和P1的像恰好在一條直線上。
5．移去圓形玻璃，做好大頭針記號后抽掉，在圖畫出光路。
連P1和P2交圓于A點，A點為入射點，連OA并延長即為法線，標出入射角i。
連P3、P4交圓于B點，B點即為光的出射點。
連AB即為光線在玻璃內的折射線，標出折射角r。
6．改變入射角i，重復（1）（5）步驟，列表記錄，算出每次折射率n=sini/sinr，然后求平均值。
結論：從圖看出，圓形玻璃的出射光線與入射光線以圓形玻璃對稱，同樣滿足出射角i′等于入射角i，入射角改變，折射角改變但其正弦比為常數。
【變通2】用三角形截面的玻璃磚做測定玻璃的折射率的實驗，其他器材不變，簡要步驟如下：
1．先在白紙上放好三棱鏡。
2．在三角形玻璃的一側插上兩枚大頭針P1和P2。
3．在三角形玻璃的另一側觀察，調整視線使P1的像被P2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P3和P1、P2的像。
4．在白紙上標出大頭針位置和畫出三角形玻璃輪廓。
5．畫出所需光路如右圖。
6．記錄所需測量的量：入射角i和折射角r或OE=OG、EF和GH，如圖標出。
結論：折射率的公式是n=sini/sinγ或n=EF/GH。
入射角i和折射角r均可改變，但其正弦比值始終為一個常數。
【變通3】介質不變，形狀變，方法變，器材變。
用兩腰長16厘米的全反射棱鏡和坐標紙，兩枚大頭針做測定玻璃折射率實驗，其步驟如下：
1．在全反射棱鏡的OA棱上貼一很小的標記A。
2．把該棱鏡平放在坐標紙上，使直角頂點與坐標系O點重合，兩腰分別與x、y軸重合。
3．從腰OB邊的C點注視A點，發現標記的A點的觀察位置在腰OA上的D點。
4．在C、D兩點各插上一枚大頭針。
5．測量C點坐標為（0，yc），D點坐標為（xd，0），如圖所示。連AC為實際入射光線。
連CD為眼睛視線。
延長DC線，延長線為AC線的折射光線。
由光路可逆規律和折射定律有：，；故。
【變通4】介質、形狀都不變，測量工具和方法變。
用玻璃磚和三角板、測玻璃的折射率，其簡要步驟如下：
1．把長方體玻璃磚水平放置，用三角板緊貼玻璃磚的一邊Abef，測出玻璃磚寬度s
2．用三角板緊貼玻璃磚的一邊Adeh，垂直桌面并使三角板刻度邊的“0”與玻璃磚的一棱角e重合，測出玻璃磚的長度L，如左下圖。
3．從玻璃磚的另一側bcgf面（三角板對面）上看到的三角板刻度的像中讀出與cg邊重合的刻度值x，如右上圖所示。
4．設計表格記錄測量的L、s和讀出的“刻度”像長x。
5．分析計算。
設x在三角板上的坐標點為P，則P點的成像平面光路如上圖所示，根據光路可逆從圖可得出玻璃磚的折射率為：n=sini/sinr……①
設玻璃磚eh，hg兩邊的長度分別為L、s，由圖可知……②
……③ 把②和③代入①整理得……④
將測量記錄的L、s、x代入④式即可求出n值。
【變通5】變介質，變方法，變儀器。
用直口玻璃燒杯、刻度直尺測定液體折射率，其簡要步驟如下：
1．把空燒杯置于實驗桌邊，量出燒杯內高度L和燒杯內壁距桌邊的最近距離s，如圖所示。
2．把燒杯內底距桌邊最遠點P涂成便于觀察的顏色。
3．手執刻度尺垂直靠于桌邊，用眼睛沿AO方向看去，（A點為刻度尺的零點）上下移動刻度尺，使APO在一條直線上，記錄桌面上方的刻度尺L1。
4．將待測液體慢慢倒入燒杯，再上下移動刻度尺，用眼睛觀察使A′OP′在一條直線上，記錄桌面上方刻度尺的長度L2，（P′為P點在液體中的像，若在P點觀察零點A，則A′為刻度尺零點A此時成像的位置），由下圖所示光路圖和折射定律：n=sinr/sini……①
由圖可知：…② ……③
把②和③代入①整理得……④
結論：對于固定的燒杯及其固定的位置，s、L、L1是定值，對于不同的液體L2不同，固此測出s、L、L1、L2的值后代入①即可求出液體的折射率。
實驗19《用雙縫干涉測光的波長》
實驗目的：了解光波產生穩定的干涉現象的條件；觀察雙縫干涉圖樣；測定單色光的波長。
實驗原理：單色光通過單縫后，經雙縫產生穩定的干涉圖樣，圖樣中相鄰兩條亮（暗）紋間的距離△X與雙縫間的距離d、雙縫到屏的距離L、單色光的波長λ之間滿足。
實驗器材：雙縫干涉儀、米尺、測量頭。
實驗步驟：（1）如圖所示，把直徑約10cm、長約1m的遮光筒水平放在光具座上，微的一端裝有雙縫，另一端裝有毛玻璃屏；
（2）取下雙縫，打開光源，調節光源的高度，使它發出的束光能夠沿著遮光筒的軸線把屏照亮；
（3）放好單縫和雙縫，單縫和雙縫間距離約為5cm～10cm，使縫相互平行，中心大致僅次于遮光筒的軸線上，這時在屏上就會看到白光的雙縫干涉圖樣；
（4）在單縫和光源間放上濾光片，觀察單色光的雙縫干涉圖樣；
（5）分別改變濾光片和雙縫，觀察干涉圖樣的變化；
（6）已知雙縫間的距離d，測出雙縫到屏的距離L，用測量頭測出相鄰兩條亮（暗）紋間的距離△x，由計算單色光的波長。為了減小誤差，可測出n條亮（暗）間的距離A，則；
（7）換用不同顏色的濾光片，觀察干涉條紋間距的變化，并求出相應色光的波長。
注意事項：（1）單縫雙縫應相互平行，其中心僅次于遮光筒的軸線上，雙縫到屏的距離應相等；
（2）測雙縫到屏的距離L可用米尺測多次，取平均值；
（3）測條紋間距△x時，用測量頭則出n條亮（暗）間的距離A，求出相鄰的兩條明（暗）紋間的距離。實驗記錄
物理量
次數
n
A
1
2
3
4

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