高中物理选修3-4实验操作及试题.doc

物理选修3-4实验
实验1.测得玻璃的折射率
【知识要点】
一、实验目的
1．测定玻璃的折射率．2．学会用插针法确定光路．
二、实验原理
如图所示，当光线AO1以一定的入射角θ1穿过两面平行的玻璃砖时，通过插针法找出跟入射光线AO1对应的出射光线O2B，从而求出折射光线O1O2 和折射角θ2，再根据n＝或 n＝算出玻璃的折射率．
三、实验器材玻璃砖、白纸、木板、大头针、图钉、量角器(或圆规)、三角板、铅笔．
四、实验步骤
1.如图所示，把白纸铺在木板上．
2．在白纸上画一直线aa′作为界面，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，并使其长边与aa′重合，再用直尺画出玻璃砖的另一边bb′.
4．在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2.
5．从玻璃砖bb′一侧透过玻璃砖观察大头针P1、P2的像，调整视线的方向直到P1的像被P2的像挡住．再在bb′一侧插上两枚大头针P3、P4，使P3能挡住P1、P2的像，P4能挡住P3本身及P1、P2的像．
6．移去玻璃砖，在拔掉P1、P2、P3、P4的同时分别记下它们
的位置，过P3、P4作直线O′B交bb′于O′.连接O、O′，OO′就是玻璃砖内折射光线的方向．∠AON为入射角，∠O′ON′ 为折射角．
7．改变入射角，重复实验．
五、数据处理
1．计算法：用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sinθ1
和sinθ2.算出不同入射角时的，并取平均值．
2．作sinθ1－sinθ2图象：改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sinθ1－sinθ2图象，由n＝可知图象应为直线，
如图实－13－3所示，其斜率为折射率． 图实－13－3
3．“单位圆法”确定sinθ1、sinθ2，计算折射率n.以入射点O为圆心，以一定长度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E′H′.如图实－13－4所示，sinθ1＝，sinθ2 ＝，OE＝OE′＝R，则n＝＝.只要用刻度尺测出EH、E′H′的长度就可以求出n.
4．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．
七、误差分析
1．入射光线、出射光线确定的准确性造成误差，故入射侧、出射侧所插两枚大头针间距应大一些．
2．入射角和折射角的测量造成误差，故入射角应适当大些，以减小测量的相对误差．
八、实验改进
本实验可用半圆形玻璃砖代替长方形玻璃砖，做法如下：
在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2，确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖另一侧垂直纸面 插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3，作光路图如图所示．则折射率n＝＝＝.
【考点突破】
P1
P2
P3
P4
a
a′
b′
b
i
r
A
O
B
E
N
N´
问题1.如图所示是上下两个面彼此平行的玻璃砖，两个面之间的距离为h。一束光线以入射角i从上表面的O点入射，从下表面的Oˊ点射出。
（1）证明入射玻璃砖的光线和出射的光线平行
（2）证明侧移量随入射角的增大而增大。
（3）由图示可知能够确定入射角和折射角，因此可以测定玻璃的折射率，怎样确定入射光线？怎样确定折射光线？（插针法）
（4）实验过程中，角度的测量会带来误差，实验时入射角度大一些好还是小一些好？
（5）实验的过程中入射角和折射角不一定是特殊角，计算角度的正弦值有很大的难度。你怎样解决这个问题？
（6）只使用一次测量数据会给实验结果带来很大的误差，某位同学多次测量入射角α和折射角β，做出了如图所示的图像。图像中斜率表示什么意思？
(7)某同学用插针法测定玻璃砖的折射率，他的实验方法和操作步骤正确无误。但他处理实验记录时发现玻璃砖的两个光学面aa’与bb’不平行，如图所示：则（ ）
A．P1P2与P3P4两条直线平行
B．P1P2与P3P4两条直线不平行
C．他测出的折射率偏大
D．他测出的折射率不受影响
(8)在利用插针法测定玻璃砖折射率的实验中：
①甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa’和bb’后，不自觉地碰了玻璃砖使它向aa’方向平移了少许，如图所示:则他测出的折射率值将_____(选填“偏大”、 “偏小”或“不变”)；
②乙同学在画界面时，不自觉地将两界面aa’、bb’间距画得比玻璃砖宽度些，如图所示，则他测得折射率 (填“偏大”、“偏小”“不变”) .
变式1.同学用圆柱形玻璃砖做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好圆柱形玻璃砖，在玻璃砖的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在圆柱形玻璃砖另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在一侧相继又插上两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，使P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和圆柱形玻璃砖的边界如图所示．
（1）在图上画出所需的光路．
（2）了测量出玻璃砖折射率，需要测量的物理量有 （要求在图上标出）．
（3）写出计算折射率的公式n= .
变式2.一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）.现要测定此玻璃的折射率，给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（、、、）、带有刻度的直角三角板、量角器.实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直.在纸上画出直线和，表示镀银的玻璃表面，表示另一表面，如图所示.然后，在白纸上竖直插上两枚大头针、（位置如图）.用、的连线表示入射光线.
（1）为了测量折射率，应如何正确使用大头针、？试在题图中标出、的位置.

（2）然后，移去玻璃砖与大头针.试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角 与折射角.简要写出作图步骤.

（3）写出用、表示的折射率公式 .

θ
P1
P2
O
θ
变式3.徐老师用大头针、三角板、量角器等器材测半圆形玻璃砖的折射率。开始玻璃砖的位置如图中实线所示，使大头针P1、P2与圆心O在同一直线上，该直线垂直于玻璃砖的直径边，然后使玻璃砖绕圆心O缓慢转动，同时在玻璃砖直径边一侧观察P1、P2的像，且P2的像挡住P1的像。如此观察，当玻璃砖转到图中虚线位置时，上述现象恰好消失。此时只需测量出 ，即可计算出玻璃砖的折射率。请用你的测量量表示出折射率 。
变式4.学校开展研究性学习，某研究性学习小组的同学根据所学的光学知识，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部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径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．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P所插的位置，就可直接读出液体折射率的值．则
（1）若，OP3与OC的夹角为，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_________．
变式5.如图所示，置于空气中的一不透明容器内盛满某种透明液体．容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6.0 cm长的线光源．靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源．开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分．将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好可以看到线光源底端．再将线光源沿同一方向移动8.0 cm，刚好可以看到其顶端．求此液体的折射率n.

实验2. 用双缝干涉测光的波长
【知识要点】
一、实验目的
1．了解光波产生稳定干涉现象的条件．2．观察双缝干涉图样．3．测定单色光的波长．
二、实验原理
1．光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光经过单缝后相当于线光源，经双缝产生稳定的干涉图样，我们通过光屏可以观察到明暗相间的干涉条纹．若用白光照射，通过两狭缝可以在光屏上观察到彩色条纹．
2.根据λ＝Δx可以计算出单色光的波长．公式中d为双缝间距离，Δx为相邻两条亮纹间的距离，l为双缝到屏之间的距离，实验中d一般是已知的，所以测出l、Δx即可求出光的波长．Δx的测量可用测量头完成，如图所示，测量头由分划板、目镜、手轮等构成．通过测量头可清晰看到干涉条纹，分划板上中心有刻线，以此作标准，并根据手轮的读数可求得Δx.由于Δx较小，可测出n条亮(或暗)条纹的间距a，则相邻亮条纹间的距离Δx＝.
三、实验器材
双缝干涉仪(由光具座、光源、滤光片、单缝、双缝、遮光筒、毛玻璃屏、测量头组成)，另外还有学生电源、导线、刻度尺．
四、实验步骤
1．观察干涉条纹
(1)将光源、遮光筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上．
(2)接好光源，打开开关，使灯丝正常发光．
(3)调节各器件的高度，使光源发出的光能沿轴线到达光屏．
(4)安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝
与单缝的缝平行，二者间距约5 cm～10 cm，这时，可观察白光的干涉条纹．
(5)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
(1)安装测量头，调节至可清晰观察到干涉条纹．
(2)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a1，将该条纹记为第1条亮纹；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a2，将该条纹记为第n条亮纹．
(3)用刻度尺测量双缝到光屏的距离l(d是已知的)．
(4)重复测量．
五、数据处理
1．条纹间距Δx＝||. 2．波长λ＝Δx. 3．计算多组数据，求λ的平均值．
六、注意事项
1．双缝干涉仪是比较精密的仪器，应轻拿轻放，且注意保养．
2．安装时，注意调节光源、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中心轴线上，并使单缝、双缝平行且间距适当．
(3)分划板刻线与干涉条纹不平行，中心刻线没有恰好位于条纹中心．
(4)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．
八、实验改进
实验室里的双缝干涉仪比较精密，并且安装不方便，调节、测量时十分麻烦．现用一种简单方法替换如下：用一支小孩激光笔，水平放置在桌面上，前面放置一双缝，则在正对的墙上就出现十分明显的双缝干涉条纹，测出相关的物理量，利用公式Δx＝λ即可求出λ.优点：简单易操作．缺点：精度偏低．
【考点突破】
问题2．如图所示是用双缝干涉测光的波长的实验设备示意图．
(1)图中①是光源，⑤是光屏，它们之间的②③④依次是____________、____________和____________．
(2)以下哪些操作能够增大光屏上相邻两条亮纹之间的距离(　　)
A．增大③和④之间的距离 B．增大④和⑤之间的距离
C．将红色滤光片改为绿色滤光片 D．增大双缝之间的距离
(3)在某次实验中，已知双缝到光屏之间的距离是600 mm，双缝之间的距离是0.20 mm，单缝到双缝之间的距离是100 mm.某同学在用测量头测量时，先将测量头目镜中看到的分划板中心刻线对准某条亮纹(记作第1条)的中心，这时手轮上的示数如图甲所示．然后他转动测量头，使分划板中心刻线对准第7条亮纹的中心，这时手轮上的示数如图乙所示，这两次示数依次为______mm和________mm，由此可以计算出这次实验中所测得的单色光的波长为________nm.
变式1. 利用图中装置研究双缝干涉现象时，有下面几种说法,其中正确的是 ：
A.将屏移近双缝，干涉条纹间距变窄
B.将滤光片由蓝色的换成红色的,干涉条纹间距变宽
C.将单缝向双缝移动一小段距离,干涉条纹间距变宽
D.换一个两缝间距离较大的双缝,干涉条纹间距变窄
E.去掉滤光片后, 干涉现象消失
变式2.在用双缝干涉测光的波长的实验中，准备了下列仪器：
A．白炽灯 B．双窄缝片 C．单窄缝片 D．滤光片 E．毛玻璃光屏
（1）把以上仪器安装在光具座上，自光源起合理的顺序是_________（填字母）；
（2）在某次实验中，用某种单色光通过双缝在光屏上得到明暗相间的干涉条纹，其中亮纹a、c的位置利用测量头上的分划板确定，如图所示；其中表示a纹位置（图甲）的手轮读数为 mm，c纹位置（图乙）的手轮读数为 mm；
（3）已知双缝间的距离为0.18mm，双缝与屏的距离为500mm，则单色光的波长为 μm.
变式3．在利用双缝干涉测光的波长时，首先调节光源、滤光片、单缝和双缝的中心均位于遮光筒的中心轴线上，并使单缝和双缝竖直并且互相平行，当屏上出现了干涉图样后，用测量头上的游标卡尺去测量，转动手轮，移动分划板使分划中心刻线与某条明纹中心对齐时(如图甲所示)将此明纹记为1，然后再转动手轮，分划板中心刻线向右移动，依次经过2,3……等明纹，最终与明纹6中心对齐，分划板中心刻线与明纹1和明纹6对齐时游标卡尺示数分别如图中乙、丙所示(游标卡尺为10分度)，则图乙对应的读数为________m，图丙对应的读数为________m.用刻度尺量得双缝到屏的距离为60.00 cm，由双缝上标示获知双缝间距为0.2 mm，则发生干涉的光波波长为________m.

在实验中，若经粗调后透过测量头上的目镜观察，看不到明暗相间的条纹，只看到一片亮区，造成这种情况的最可能的原因是___________________________________．
变式4．甲
乙
在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上(如图实－14－10所示)，并选用缝间距d＝0.20 mm的双缝屏．从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L＝700 mm.然后，接通电源使光源正常工作．

(1)已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度．某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，第一次映入眼帘的干涉条纹如图甲(a)所示，图甲(a)中的数字是该同学给各暗纹的编号，此时图甲(b)中游标尺上的读数x1＝1.16 mm；接着再转动手轮，映入眼帘的干涉条纹如图乙(a)所示 ，此时图乙(b)中游标尺上的读数x2＝________mm；
(2)利用上述测量结果，经计算可得两个相邻明纹(或暗纹)间的距离Δx＝________mm；这种色光的波长λ＝________nm.
变式5.现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件,要把它们放在图所示的光具座上组装成双缝干涉装置,用来测量红光的波长.

(1)将白光光源C放在光具座最左端,依次放置其他光学元件,由左至右,表示各光学元件的字母排列顺序应为C、 、A.
(2)本实验的步骤有：
①取下遮光筒左侧的元件,调节光源高度,使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮;
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件,并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上;
③用米尺测量双缝到屏的距离;
④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离.
在操作步骤②时还应注意 和 .
(3)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐,将该亮纹定为第1条亮纹,此时手轮上的示数如图甲所示.然后同方向转动测量头,使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐,记下此时图乙中手轮上的示数 mm,求得相邻亮纹的间距Δx为 mm.
(4)已知双缝间距d为2.0×10-4m,测得双缝到屏的距离l为0.700m,由计算式λ= ,求得所测红光波长为 nm.
答案
实验1.测得玻璃的折射率
【考点突破】
问题1.(7) B D
(8)① “不变”；② “偏小”

变式1.(1)光路如图所示 （2）∠i和∠r （3）
变式2.（1）在一侧观察、 （经折射，反射，再经折射后）的像，在适当的位置插上，使得 与、的像在一条直线上，即让挡住、的像；再插上，让它挡住（或）的像和.、的位置如图.
（2）①过、作直线与交于；
②过、作直线与交于；
③利用刻度尺找到的中点；
④过点作的垂线，过点作的垂线与相交与，如图所示，连接；
⑤,.（3）
变式3.玻璃砖直径边绕O点转过的角度 。
变式4.（1）1．73 （2）P4 （3）1 变式5. n＝1.25.
实验2. 用双缝干涉测光的波长
问题2． (1)滤光片　单缝　双缝　(2)B(3)0.641　10.293　536
变式1.ABD 变式2.（1）ADCBE；（2）1.790～1.792；4.940～4.942　（3）0.567
变式3． 1.94×10－2　2.84×10－2　6.00×10－7　单缝与双缝不平行 变式4． (1)15.02　(2)2.31　6.6×102
变式5. (1)E、D、B (2)单缝和双缝间距5～10cm 使单缝与双缝相互平行 (3)13.870 2.310
(4)Δx 6.6×102

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