湖北省光谷第二高级中学高三物理 专题4 光学重要实验的创新与设计定稿（通用） 8页

专题4 光学重要实验的创新设计 ‎ 专题 概述 ‎◇◆考情分析 光学重要实验有两个：测定玻璃的折射率和用双缝干涉测光的波长。前者为几何光学的知识的考查，后者为光的干涉知识的考查。高考中对光学实验的命题以教材中的实验原理、实验操作步骤和实验误差分析为重点，前者的实验题经常出现选择题中，后者的实验往往考查基本公式和基本规律。‎ ‎◇◆复习指导 光学实验与电学实验相比较，应该更容易掌握。测定玻璃的折射率的实验中以考查折射定律为核心，要求能熟练画光路图、理解入射角与折射角的定义、熟练操作实验过程并亲自做实验、运用数学圆的知识通过刻度尺测量长度来巧妙代替用量角器测角度从而减小实验误差；用双缝干涉测光的波长实验中以考查相邻的两条亮（暗）条纹间距的公式为核心，要求熟练掌握测量头读数方法，会分析不同单色光的波长、屏与双缝间距离、双缝间距对相邻的两条亮（暗）条纹间距的影响。‎ 典例调研 考点一 测定玻璃的折射率的创新设计 A P1‎ P2‎ P3‎ x y α β O M ‎【调研1】如图，画有直角坐标系Oxy的白纸位于水平桌面上，M是放在白纸上的半圆形玻璃砖，其底面的圆心在坐标的原点，直边与x轴重合，OA是画在纸上的直线，P1、P2为竖直地插在直线OA上的两枚大头针，P3是竖直地插在纸上的第三枚大头针，α是直线OA与y轴正方向的夹角，β是直线OP3与轴负方向的夹角，只要直线OA画得合适，且P3的位置取得正确，测得角α和β，便可求得玻璃得折射率。‎ ‎（1）某学生在用上述方法测量玻璃的折射率，在他画出的直线OA上竖直插上了P1、P2两枚大头针，但在y<0的区域内，不管眼睛放在何处，都无法透过玻璃砖看到P1、P2的像，他应该采取的措施是 ‎_____________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________________________。‎ ‎（2）若他已透过玻璃砖看到了P1、P2的像，确定P3位置的方法是____________________________________。‎ ‎（3）若他已正确地测得了的α、β的值，则玻璃的折射率n=_____________________________.‎ ‎【解析】（1）由于光线是从光密介质进入光疏介质的，如果入射角度α过大，会导致在x轴上发生全反射现象，而在y<0的区域内，不管眼睛放在何处，都无法透过玻璃砖看到P1、P2的像，故采取的措施为减小入射角α，在白纸上另画一条与y轴正方向的夹角较小的直线OA，然后按正确的实验进行操作。‎ ‎（2）插入P3后，P3刚好能挡住P1、P2的像，说明光线从玻璃中入射到空气中的出射光线经为OP3，这样P1、P2的像就被P3挡住。‎ ‎（3）根据折射定律，，注意β角为光疏介质中的角，其正弦值要大，才能保证折射率n大于1，符合折射定律的规律。‎ ‎【答案】（1）在白纸上另画一条与y轴正方向的夹角较小的直线OA，把大头针P1、P2竖直地插在所画的直线上，直到在y<0的区域内透过玻璃砖能看到P1、P2的像。‎ ‎（2）插上P3后，P3刚好能挡住P1、P2的像。‎ ‎（3）‎ α β O P2′‎ P2‎ P1‎ P1′‎ ‎【方法归类】1、测定玻璃的折射率的实验，难点在于找到入射角和折射角，正确理解折射定律公式中分子与分母的大小关系。2、同时本实验的误差分析也是高考中常考的方式，关键在于 在于将测量过程中的光路图与还原真实实验（或正确实验操作步骤）的比较，通过折射定律进行合理分析。注意玻璃砖的两个侧面在白纸上的位置的正确划线与实际操作中的划线的区别、入射光线的入射点的正确操作与实际操作的区别、出射光线的出射点的正确操作与实际操作的区别、入射点与出射点的正确操作与实际操作的区别等几个方面，是正确进行误差分析的必经之路。3、该实验的原理中要求用量角器测量入射角和折射角，但由于量角器本身是粗测的仪器，故该实验原理常常会有其它更加合理的原理代替，如图所示，将入射点O作为圆心，以入射光线的延长线OP2为半径做圆，此圆与折射光线相交于P1，则入射角α的正弦值sinα = P2 P2′/OP2，折射角β的正弦值sinβ = P1 P1′/OP1，OP1与OP2为圆的半径，故折射率n = = ，这样用测量OP1与OP2的长度来代替用量角器测量角度，大大减小了测量的误差。‎ 考点二 测光的波长实验的创新设计 ‎【调研2】‎0‎ ‎10 15‎ ‎0 5 10‎ ‎25 30‎ 图a 图b 在某次用双缝干涉测光的波长的实验中，已知双缝到光屏之间的距离是‎600mm，双缝之间的距离是‎0.20mm，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a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b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．（结果保留3位有效数字）‎ ‎【解析】测量头就是螺旋测微器，对于第一次第1条亮纹中心对应的读数，从固定刻度读出‎0.‎‎5mm,可动刻度读出14.1×‎0.‎‎01mm=‎0.141mm，故总读数为：‎0.5mm+‎0.141mm=‎0.641mm；第二次第7条亮纹中心对应的读数可按照同样的方法读出为‎10.293mm。所以六条亮纹的总间距即两次读数之差‎9.652mm，可求得相邻亮纹中心的距离Δx＝‎1.609mm，再由算出波长为536 nm。‎ ‎【答案】0.641；10.293；536‎ ‎【误点警示】利用双缝干涉测光的波长实验的易错点主要有：1、测量头的读数，要注意掌握游标卡尺与螺旋测微器的读数方法；2、相邻两条亮（暗）条纹的距离公式，注意L为屏与双缝之间的距离，d为双缝间距；3、为了减小测量误差，两次测量头的分划板中心刻线对准的亮条纹之间有多个亮条纹，要注意相邻两条亮条纹间距在计算时的处理；4、计算中要谨记单位换算与统一。‎ 创新预测 ‎1．用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，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、P4，使P3挡住P1、P2的像。P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓如图所示．‎ ‎（1）在本题的图上画出所需的光路．‎ ‎（2）为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是 、 ，在图上标出它们．‎ ‎（3）计算折射率的公式是n＝ ‎ ‎2．学校开展研究性学习。某研究小组的同学根据所学的光学知识，设计了一个测液体析射率的仪器．如图所示．在一个圆盘上。过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA上垂直盘面插下两枚大头针P1、P2并保持P1、P2位置不变，每次测量时让圆盘的下半部分竖直进入液体中，而且总使得液面与直径BC相平，EF作为界面的法线，然后在图中右上方区域观察Pl、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3正好挡住Pl、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P3所插的位置，就可直接读出液体折射率的值．则：‎ ‎（1）若∠AOF=30°，OP3与OC的夹角为30°，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?答： ‎ ‎（3）做AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率值应为 .‎ ‎3．如图所示，一束细的复色光从空气中射到半球形玻璃体球心O点，经折射分为a、b两束光，分别由P、Q两点射出玻璃体。PP’、QQ’均与过O点的界面法线垂直.设光线a、b 在玻璃体内穿行所用时间分别为ta、tb，则ta: tb等于（ ）‎ A.QQ′:PP′ B.PP′:QQ′ C.OP′:OQ′ D.OQ′:OP′‎ ‎4．在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏上观察到彩色干涉条纹．若在双缝中的一条缝前放一红色滤光片，在另一条缝前放一绿色滤光片，此时（ ）‎ A．只有红色和绿色的干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失 B．红色和绿色的干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在 C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D．屏上无任何光亮 ‎【创新预测答案】‎ i r ‎1、（1）如图所示 ‎ ‎【解析】如图，画出通过Pl、P2的入射光线交AC面于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O/，则光线OO/就是入射光线Pl P2在三棱镜中的折射光线．‎ ‎（2）i；r ‎ ‎【解析】在所画的图上，标明入射角i和折射角r，并画出虚线部分．用量角器测量出i和r或用刻度尺测出线段 EF、OE、GH、OG的长度．‎ ‎（3）‎ ‎【解析】根据折射定律，折射率等于入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值：，或根据，得：。‎ ‎2．（1）【解析】入射角为i= ∠AOF=30°，折射角r = ∠EOP3=60°，根据折射定律n = ==。‎ ‎（2）p4 【解析】P4位置对应的折射角r较大，故对应的折射率也较大。‎ ‎（3）1 【解析】K处对应的折射角为30°，根据折射定律可得n = 1 。‎ ‎3．A 【解析】不同单色光对玻璃的折射率不同，由公式n＝＝，t＝，其中r为半球玻璃半径，v为单色光在玻璃中的传播速度，可知所用的时间ta: tb＝QQ′:PP′ 。.‎ ‎4．C 【解析】根据产生双缝干涉的条件，应使通过双缝的光为同频率的相干光源．当双缝前分别放置红色或绿色滤光片后，通过双缝的两列光的频率不同，将不发生干涉，屏幕上将观察不到干涉条纹，因此选项A、B是错误的．当双缝前分别放置红色或绿色滤光片后，虽然不发生干涉，但每个缝分别发生红 光或绿光的衍射，因此屏上仍有光亮，可见选项C正确，选项D是错误的．总之，只有选项C正确．‎