高考物理二轮复习导学案11.3光学实验

11.3光学实验

【学习目标】

1．观察不同单色光的双缝干涉图样。

2．掌握用公式Δx＝ldλ测定单色光的波长的方法。

3.掌握测定折射率的原理及方法.

4.能用插针法测定玻璃的折射率.

【思考环节】

实验一：用双缝干涉测量光的波长

1.实验原理

单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，图样中相邻两条亮(暗)条纹间距Δx与双缝间距d、双缝到屏的距离l、单色光波长λ之间满足λ＝dlΔx.

2.实验器材

双缝干涉仪，__________、光源、滤光片、单缝、__________、遮光筒、__________、测量头。另外，还有学生电源、导线、刻度尺等。

思考：（1）滤光片作用是什么？

（2）单缝相当于一个线光源，它又把双缝照亮。单缝和双缝的位置关系应该是什么？

（3）透镜的作用是使射向单缝的光更集中。

3.物理量的测量

根据∆x=_________可知，本实验需要测量的物理量是双缝到屏的距离 l 和相邻两条亮条纹间的距离∆x（双缝间的距离 d 已知）。具体操作如下。

1、l 的测量：l 可以用刻度尺测出。

2、∆ x 的测量： ∆x 需用测量头测出。测量头通常有两种，但都由分划板、目镜、手轮等构成。转动手轮，分划板会左右移动。 测量时，应使分划板的中心_________的中心对齐（图 ），记下此时手轮上的读数。然后转动测量头，使分划板__________________对齐，再次记下手轮上的读数。两次读数之差表示这两个条纹间的距离 ∆ x。

3、为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离。例如，可测出 n 个亮条纹间的距离 a，再求出相邻两个亮条纹间的距离______

4.进行实验

实验前先取下双缝，打开光源，调节光源的高度和角度，使它发出的光束沿着遮光筒的轴线把屏照亮。然后放好单缝和双缝。注意使_________相互平行，尽量使缝的中点位于遮光筒的轴线上。

做好以上调整后，在单缝与光源之间放上滤光片就可以观察到单色光的双缝干涉图样（图 ）。测量_________的距离 l 和相邻两条亮条纹间的距离∆ x。分别改变滤光片的颜色和双缝的距离，观察干涉条纹的变化，并求出相应的波长。

5.数据分析

设计表格记录实验数据。d 是已知的，l 和 n 个亮条纹间的距离 a 是直接测量值。由1nax可以求出相邻两个亮条纹间的距离Δx。最后，根据 _________算出波长。

6.注意事项：

（1）．单缝、双缝应相互平行，其中心大致位于遮光筒的中心轴线上

（2）．测双缝到屏的距离l时，用_________多次测量取平均值．

（3）．测条纹间距Δx，用测量头测出n条亮条纹间的距离a，求出相邻的两条亮条纹间的距离1nax

思考：若误将n个亮条纹间的距离当做（n+1）个亮条纹间的距离，测出的波长比实际波长如何？若误当做（n1）个亮条纹间的距离呢？

例1.在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，将双缝干涉实验仪按要求安装在光具座上，如图1所示。已知双缝间的距离为d，在距双缝L远的屏上，用测量头测量条纹间宽度。

(1)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2(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，记下此时如图2(乙)所示的手轮上的示数为____________mm，求得相邻亮纹的间距Δx为__________mm；

(2)波长的表达式λ＝__________(用Δx、L、d表示)；

(3)若改用频率较高的单色光照射，得到的干涉条纹间距将__________(选填“变大”“不变”或“变小” )；

(4)图3为上述实验装置示意图。S为单缝，S1、S2为双缝，屏上O点处为一条亮条纹。若实验时单缝偏离光轴，向下微微移动，则可以观察到O点处的干涉条纹__________。

A．向上移动 B．向下移动 C．间距变大 D．间距变小

实验二：测定玻璃的折射率

1.实验原理

如图1所示，当光线AO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AO对应的出射光线O′B，从而画出折射光线OO′，求出折射角θ2，再根据n＝sin θ1sin θ2或n＝PNQN′计算出玻璃的折射率.

图 1

思考：折射光线是如何确定的？

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.实验过程

(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，作过O点的法线MM′.

(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_________的像，再插上P4，使P4挡住____________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O′B及出射点O′，连接O、O′得到线段OO′.

(7)用量角器测量入射角θ1和折射角θ2，并查出其正弦值sin θ1和sin θ2.

(8)改变入射角，重复实验.

思考：为什么先画玻璃砖的长边位置再放玻璃砖？大头针再插入时应注意哪些问题？

4.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sin θ1和sin θ2.算出不同入射角时的sin θ1sin θ2，并取平均值.

(2)图象法

改变不同的入射角θ1，测出不同的折射角θ2，作sin θ1－sin θ2的图象，由n＝sin θ1sin θ2可知图象应是过原点的直线，如图2所示，其斜率为折射率.

图2

(3)“单位圆”法

以入射点O为圆心，以一定的长度R为半径画圆，如图3所示，sin θ1＝EHOE，sin θ2＝E′H′OE′，OE＝OE′＝R，则n＝sin θ1sin θ2＝EHE′H′.只要用刻度尺量出EH、E′H′的长度就可以求出n.

图3 5.注意事项

(1)实验时，应尽可能将大头针竖直插在纸上，且P1和P2之间、P3和P4之间、P2与O、P3与O′之间距离要稍大一些.

(2)入射角θ1不宜太大(接近90°)，也不宜太小(接近0°).

(3)操作时手不能触摸玻璃砖的光洁光学面，也不能把玻璃砖界面当尺子画界线.

(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.

6.实验误差

(1)入射光线和出射光线画得不够精确．因此，要求插大头针时两大头针间距应稍大些．

(2)入射角、折射角测量不精确．为减小测角时的相对误差，入射角要稍大些，但不宜太大，入射角太大时，反射光较强，折射光会相对较弱．

例2.(2019·天津高考)某小组做测定玻璃的折射率实验，所用器材有：玻璃砖，大头针，刻度尺，圆规，笔，白纸。

(1)下列哪些措施能够提高实验准确程度________。

A．选用两光学表面间距大的玻璃砖

B．选用两光学表面平行的玻璃砖

C．选用粗的大头针完成实验

D．插在玻璃砖同侧的两枚大头针间的距离尽量大些

(2)该小组用同一套器材完成了四次实验，记录的玻璃砖界线和四个大头针扎下的孔洞如图所示，其中实验操作正确的是________。

(3)该小组选取了操作正确的实验记录，在白纸上画出光线的径迹，以入射点O为圆心作圆，与入射光线、折射光线分别交于A、B点，再过A、B点作法线NN′的垂线，垂足分别为C、D点，如图所示，则玻璃的折射率n＝__________。(用图中线段的字母表示)

例3、在用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙两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中①、②所示，其中甲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．则：

（1）甲同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．

（2）乙同学测得的折射率与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．

例4、5.在利用插针法测定玻璃折射率的实验中：

（1）甲同学在纸上正确画出玻璃砖的两个界面aa′和bb′后，不小心碰了玻璃砖使它向aa′方向平移了少许，如图甲所示．则他测出的折射率将________(填“偏大”“偏小”或“不变”)

（2）乙同学在画界面时，不小心将两界面aa′、bb′间距画得比玻璃砖宽度大些，如图乙所示，则他测得的折射率________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．

【检测环节】1.(多选)某同学按实验装置安装好仪器后，观察光的干涉现象，实验成功．若他在此基础上对仪器的安装有如下改动，仍能使实验成功，下列说法正确的是( )

A．将遮光筒的光屏向靠近双缝的方向移动少许，其他不动

B．将滤光片移至单缝和双缝之间，其他不动

C．将单缝向双缝移动少许，其他不动

D．将单缝与双缝的位置互换，其他不动

2．(多选)如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹．如果要得到相邻条纹间距更大的干涉图样，下列做法正确的是( )

A．减小S1与S2的间距

B．增大双缝屏到光屏的距离

C．增大单缝S到双缝S1S2的距离

D．把绿光换为蓝光

3.在“用双缝干涉测量光的波长”实验中，按要求调整好实验装置． (1)为测量相邻两个亮条纹的间距，转动手轮使目镜中能观察到如图所示的分划板中心刻线与干涉条纹，记下此时手轮上的读数．然后再次转动手轮，使目镜中能观察到图________(填“A”“B”“C”或“D”)所示的分划板中心刻线与干涉条纹，再次记下手轮上的读数．

(2)测得相邻两个亮条纹间距为Δx，双缝间距为d，单缝与双缝的距离为l1，双缝到屏的距离为l2，目镜的放大倍数为k，则对应的光波波长为________．

4. 用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓，如图8甲所示，其中O为两圆弧圆心，图中已画出经过P1、P2点的入射光线.

图8

(1)在图上补画出光路.

(2)为了测出玻璃的折射率，需要测量入射角和折射角，请在图中的AB分界面上画出这两个角.

(3)用所测物理量计算折射率的公式为n＝________.

(4)为了保证在CD得到出射光线，实验过程中，光线在AB的入射角应适当________(填“小一些”“无所谓”或“大一些”).

(5)多次改变入射角，测得几组入射角和折射角，根据测得的入射角和折射角的正弦值，画出如图乙所示的图象，由图象可知该玻璃的折射率n＝________.

11.3光学实验参考答案

例1.【解析】(1)如图2(甲)所示的手轮上的示数为2 mm＋0.320 mm＝2.320 mm，如图2(乙)所示的手轮上的示数为13.5 mm＋0.370 mm＝13.870 mm；相邻亮纹的间距为Δx＝13.870－2.3205 mm＝2.310 mm。 (2)根据双缝干涉条纹间距公式Δx＝Ld λ得：λ＝dΔxL 。