第4章　第2节　科学测量：玻璃的折射率讲义—2021-2022学年新教材鲁科版（2019）高中物理选择性必修第一册

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第2节　科学测量：玻璃的折射率

[实验目标]1．测量玻璃的折射率．2．学会用插针法确定光路．

一、实验原理

用插针法确定光路，找出跟入射光线相对应的折射光线，用量角器测出入

射角 i和折射角 r，根据折射定律计算出玻璃的折射率 n＝．

二、实验器材

玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉四枚、量角器、刻度尺、铅笔．

三、实验步骤

(1)如图所示，将白纸用图钉钉在平木板上；

(2)在白纸上画出一条直线 aa′作为界面(线)，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，使它的长边跟 aa′对齐，画出玻璃砖的另

一边 bb′；

(4)在直线 AO 上竖直插上两枚大头针 P1、P2，透过玻璃砖观察大头针

P1、P2的像，调整视线方向直到 P2的像挡住 P1的像．再在观察者一侧竖直插上

两枚大头针 P3、P4，使 P3挡住 P1、P2的像，P4挡住 P3及P1、P2的像，记下

P3、P4的位置；

(5)移去大头针和玻璃砖，过 P3、P4所在处作直线 O′B与bb′交于 O′，直线

O′B就代表了沿 AO 方向入射的光线通过玻璃砖后的传播方向；

(6)连接 OO′，入射角 i＝∠AON，折射角 r＝∠O′ON′，用量角器量出入射

角和折射角，从三角函数表中查出它们的正弦值，把这些数据记录在自己设计

的表格中；

(7)用上述方法分别求出入射角分别为 30°、45°、60°时的折射角，查出它们

的正弦值，填入表格中．

四、数据处理

方法一：平均值法

求出在几次实验中所测的平均值，即为玻璃砖的折射率．

方法二：图像法

在几次改变入射角、对应的入射角和折射角正弦值的基础上，以 sin i值为

横坐标、以 sin r值为纵坐标，建立直角坐标系，如图所示．描数据点，过数据

点连线得一条过原点的直线．

求解图线斜率 k，则 k＝＝，故玻璃砖折射率 n＝．

方法三：作图法

在找到入射光线和折射光线以后，以入射点 O为圆心，以任意长为半径画

圆，分别与 AO 交于 C点，与 OE(或OE 的延长线)交于 D点，过 C、D两点分

别向 N′N作垂线，交 NN′于C′、D′，用直尺量出 CC′和DD′的长，如图所示．

由于 sin i＝，sin r＝，而 CO＝DO，

所以折射率 n1＝＝．

五、注意事项

(1)实验时，尽可能将大头针竖直插在纸上，且大头针之间及大头针与光线

转折点之间的距离要稍大一些．

(2)入射角 θ1应适当大一些，以减小测量角度的误差，但入射角不宜太大．

(3)在操作时，手不能触摸玻璃砖的光洁面，更不能把玻璃砖界面当尺子画

界线．

(4)在实验过程中，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．

六、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．

(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．

类型一　实验原理与操作

【典例 1】　在“测量玻璃的折射率”实验时，

(1)下列做法正确的是________．

A．入射角越大，误差越小

B．在白纸上放好玻璃砖后，用铅笔贴着光学面画出界面

C．实验时既可用量角器，也可用圆规和直尺等工具进行测量

D．判断像与针是否在同一直线时，应该观察大头针的头部

(2)小明同学在插针时玻璃砖的位置如图所示，根据插针与纸上已画的界面

确定入射点与出射点，依据上述操作所测得的折射率________(填“偏大”“偏

小”或“不变”)．

(3)小明同学经正确操作后，在纸上留下四枚大头针的位置 P1、P2、P3和

P4，AB 和CD 是描出的玻璃砖的两个边，如图所示，请在虚线框中画出光路图．

[解析]　(1)本实验在用插针法时，角度不宜过大，否则很难确定折射角，

选项 A错误；不能用铅笔贴着光学面画界面，所以选项 B错误；本实验通过 n

＝求折射率，也可以通过单位圆法求折射率，所以选项 C正确；在观察像与针

是否在一条直线时，应该观察大头针底部，选项 D错误．

(2)由图甲可知，此次测量的折射角偏大，导致测得的折射率偏小．

(3)光路图如图乙所示．

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