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光学实验——高考物理二轮复习实验清单大全
实验十八：测玻璃的折射率
考查频次：中。
【知识梳理】
一、实验原理
用插针法确定光路，找出与入射光线相应的出射光线，就能在玻璃砖中画出对应的折射光线，从而可以测出一组对应的入射角和折射角，根据折射定律，便可求出玻璃的折射率.
二、实验器材
玻璃砖、白纸、木板、大头针四枚、图钉(3～4枚)、量角器、直尺、铅笔.
三、实验步骤
(1)把白纸用图钉钉在木板上.
(2)用直尺画一条平行于玻璃砖一个面的直线aa′作为分界面，过aa′上一点O作垂直于aa′的直线NN′作为法线，过O点画一条入射光线AO，使入射角i适当大些.如图1所示.
(3)在AO线上竖直地插两枚大头针P1、P2，在白纸上放上被测玻璃砖，使玻璃砖的一个面与aa′重合.
(4)用直尺画平行于玻璃砖另一侧面的一条直线bb′.
(5)在玻璃砖的bb′一侧白纸上竖直地插一枚大头针P3，调整视线，同时移动大头针P3的位置，当P3恰好能同时挡住玻璃砖aa′一侧所插的大头针P1、P2的像时，把大头针P3插好.
(6)在玻璃砖bb′一侧再竖直地插一枚大头针P4，使P4能挡住P3本身，同时也能挡住P1、P2的像.
(7)记下P3、P4的位置，移去玻璃砖，拔去大头针，过P3、P4连一条直线BO′交bb′于O′点，连接OO′，OO′就是入射光线AO在玻璃砖内的折射光线，折射角为r.
(8)用量角器量出入射角i和折射角r的大小.
(9)改变入射角i，重复上面的步骤再做三、四次，量出相应的入射角和折射角.
(10)算出不同入射角时的值，求出几次实验中的平均值就是玻璃的折射率.
四、数据处理
(1)计算法：把上述实验数据分别由n＝计算出n1、n2、n3、…，求出平均值即为玻璃砖折射率的测量值.
(2)图像法：因sini＝nsinr，所以可把上面的数据以sinr值为横坐标、以sini值为纵坐标，建立直角坐标系，如图2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，设斜率为k，则n＝k.
(3)单位圆法：过入射点画出玻璃砖界面的法线NN′，以入射点B为圆心，适当长度为半径画圆，入射光线、折射光线与圆周交于A和C，由点A、C向法线作垂线，分别交法线NN′于A′、C′点，如图3所示.测出垂线的长度AA′和CC′，则玻璃砖的折射率可表示为n＝.
五、注意事项
(1)轻拿轻放玻璃砖，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面.严禁把玻璃砖当直尺使用.
(2)实验过程中，玻璃砖在纸面上的位置不可移动.
(3)大头针P1与P2、P3与P4的间距要适当地大些，以减小确定光线方向时出现的误差.
(4)实验时入射角不能太小(接近零度)，否则会使测量误差加大；也不能太大(接近90°)，否则会不易观察到P1、P2的像.
【试题练习】
1．某实验小组要测量一半圆形玻璃砖的折射率。他们先在平铺的白纸上画出半圆形玻璃砖的直径和圆心O，过O点画法线，并画出一条入射光线，与法线的夹角为30°。将半圆形玻璃砖沿着直径放好，紧贴b点放置与法线平行的光屏，如图1所示。现用一红色激光笔沿着方向射入一束光，在光屏上的P点出现一个光斑。用刻度尺测出玻璃砖的半径为R，。
（1）玻璃砖的折射率_______；（结果用分数表示）
（2）若实验过程中，实验小组的同学不小心将玻璃砖向左下方平移，但入射光线仍能通过玻璃砖的圆心，如图2所示。在光屏上出现一个光斑，小组同学将此光斑仍记作P点，并在白纸上连接两点作为出射光线，则此时测得的折射率_______（选填“大于”“等于”或“小于”）真实值；
（3）若改用绿色激光笔照射，其他条件不变，则光屏上的光斑会出现在_______。（选填“P点上方”“P点下方”或“P点”）
1．答案：（1）
（2）大于
（3）P点下方
解析：（1）由题意可知，入射角为，折射角与大小相等，且
根据折射定律可得玻璃砖的折射率为
（2）作出光线的传播路径如图所示
点为实际光屏上出现的光斑点，由折射率和几何知识可知，出射光线与平行，连接作为出射光线，则折射角偏大，因此测得的折射率大于真实值。
（3）若改用绿色激光笔照射，玻璃对绿光的折射率大，光屏上的光斑会出现在P点下方。
2．某同学在做“测定玻璃折射率”实验时，其操作步骤如下：
①把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟对齐，在白纸上画出玻璃砖的另一个界面；
②移去大头针和玻璃砖，连接，通过的连线与的交点O＇和上的入射点O，作出玻璃砖中的光线，测量出入射角与折射角，如图所示，并填入表格中：
③在白纸上画出一条直线代表两种介质的界面，过上的O点画出界面的法线，并画一条线段AO作为入射光线；
④在线段AO上竖直地插上两枚大头针，透过玻璃砖观察大头针的像。调整视线方向，直到的像被挡住。再在观察的这一侧插两枚大头针，使挡住的像，挡住的像和，记下的位置：
（1）上述步骤正确的操作顺序应为______（用步骤前的序号表示）；
（2）在该实验中，光线是由空气射入玻璃砖，根据测得的入射角和折射角的正弦值画出的图线如图所示，从图线可知玻璃砖的折射率是______。
（3）在用针插法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙二位同学在纸上画出的界面、与玻璃砖位置的关系分别如图乙中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。他们的其它操作均正确，且均以、为界面画光路图。则甲同学测得的折射率与真实值相比______（填“偏大”、“偏小”或“不变”）；乙同学测得的折射率与真实值相比______（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
2．答案：（1）③①④②
（2）1.5
（3）偏小；不变
解析：（1）实验时先需要作出玻璃介质一个发生折射的界面，即在白纸上画出一条直线代表两种介质的界面，过上的O点画出界面的法线，并画一条线段AO作为入射光线，即先进行操作③，之后把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的长边跟对齐，在白纸上画出玻璃砖的另一个界面，进行操作①，在利用插针法确定入射光线与折射光线，即进行操作④，最后作出光路图，求出折射角与入射角，求出折射率，即进行操作②，可知上述步骤正确的操作顺序应为③①④②。
（2）根据
结合图像可知
（3）在图乙①中，作出光路图，如图所示
其中，虚线表示实际光路，实线表示测量光路，可知测量的折射角大于实际的入射角，则甲同学测得的折射率与真实值相比偏小；
乙同学虽然利用梯形玻璃砖，但其界面、入射角与折射角均不存在问题，即乙同学测得的折射率与真实值相比不变。
实验十九：用双缝干涉实验测量光的波长
考点平均卷面分：3；考查频次：低。
【知识梳理】
一、实验目的：
了解光波产生稳定的干涉现象的条件；观察双缝干涉图样；测定单色光的波长。
二、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）纹间的距离△x与双缝间的距离d、双缝到屏的距离L、单色光的波长λ之间满足 。
三、实验器材：双缝干涉仪、米尺、测量筒。
四、实验步骤：
（1）如图所示，把直径约10cm、长约1m的遮光筒水平放在光具座上，筒的一端装有双缝，另一端装有毛玻璃屏；
（2）取下双缝，打开光源，调节光源的高度，使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏照亮；
（3）放好单缝和双缝，单缝和双缝间距离约为5cm～10cm，使缝相互平行，中心大致位于遮光筒的轴线上，这时在屏上就会看到白光的双缝干涉图样；
（4）在单缝和光源间放上滤光片，观察单色光的双缝干涉图样；
（5）分别改变滤光片和双缝，观察干涉图样的变化；
（6）已知双缝间的距离d，测出双缝到屏的距离L，用测量头测出相邻两条亮（暗）纹间的距离△x，由计算单色光的波长。为了减小误差，可测出n条亮（暗）间的距离a，则 ；
（7）换用不同颜色的滤光片，观察干涉条纹间距的变化，并求出相应色光的波长。
五、注意事项：
（1）单缝双缝应相互平行，其中心位于遮光筒的轴线上，双缝到屏的距离应相等；
（2）测双缝到屏的距离L可用米尺测多次，取平均值；
（3）测条纹间距△x时，用测量头则出n条亮（暗）间的距离a，再求出相邻的两条明（暗）纹间的距离,可以减小误差 。
【试题练习】
3．如图甲所示，在“用双缝干涉测光的波长”实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，并选用缝间距的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离。然后，接通电源使光源正常工作。
（1）已知测量头上主尺的最小刻度是毫米，副尺游标尺为20分度，某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，使分划板中心刻度线与某条纹A中心对齐，如图乙所示，此时测量头上主尺和副尺的示数如图丙所示，此示数为___________mm；接着再转动手轮，使分划板中心刻度线与某条纹B中心对齐，测得条纹间的距离。则经滤光片射向双缝的色光的波长___________（用题目中所给字母写出表达式），利用上述测量结果，经计算可得波长___________m（保留两位有效数字）。
（2）另一同学按实验装置安装好仪器后，观察到光的干涉现象效果很好，若他对实验装置进行了调整后，在像屏上仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加，则该调整可能是___________。
A.仅增加光源与滤光片间的距离 B.仅增加单缝与双缝间的距离
C.仅将单缝与双缝的位置互换 D.仅将红色滤光片换成绿色滤光片
3．答案：（1）；；（2）D
解析：（1）图丙中游标卡尺的最小分度值为0.05mm，主尺示数为0，游标尺的第7刻度线与主尺刻度线对齐，则示数为
条纹间的距离为5倍相邻亮（暗）条纹间的距离，故
根据相邻亮（暗）条纹间的间距公式有
解得
代入数据可得
（2）该同学对实验装置调节后，在像屏上仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加，可知相邻条纹间的宽度减小，由公式可知，该调节可能是更换波长更短的光做实验，即将红色滤光片换成绿色滤光片，其他调节都达不到该实验效果。
故选D。
4．现用如图甲所示双缝干涉实验装置来测量光的波长。
（1）在组装仪器时单缝和双缝应该相互______放置（选填“垂直”或“平行”）；
（2）已知测量头主尺的最小刻度是毫米，副尺上有50分度。某同学调整手轮使测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，并将该亮纹定为第1条亮纹，此时测量头上游标卡尺的读数为；接着同方向转动手轮，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，此时测量头上游标卡尺的示数如图乙所示，则读数为______mm，已知双缝间距，测得双缝到毛玻璃屏的距离，所测光的波长______nm；（保留3位有效数字）
（3）该实验并未直接测量相邻亮条纹间的距离，而是先测量n个条纹的间距再求出，这样做的理由是______。
（4）埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源。S发出的光直接照在光屏上，同时S发出的光还通过平面镜反射在光屏上。从平面镜反射的光相当于S在平面镜中的虚像发出的，这样就形成了两个一样的相干光源。设光源S到平面镜的距离和到光屏的距离分别为a和L，光的波长为λ。写出相邻两条亮纹（或暗纹）间距离的表达式______。
4．答案：（1）平行
（2）15.02；693
（3）利用累积法求平均值的方法减小偶然误差
（4）
解析：（1）在组装仪器时单缝和双缝应该相互平行放置。
（2）50分度游标卡尺的精确值为，由图乙可知读数为
相邻亮条纹间距为
根据
可得所测光的波长为
（3）该实验并未直接测量相邻亮条纹间的距离，而是先测量n个条纹的间距再求出，这样做的理由是：利用累积法求平均值的方法减小偶然误差。
（4）从S发出的光经过平面镜反射后射到屏上的光，相当于从S关于平面镜的像点发出的光射到屏上，也就相当于一个间距为2a的双缝，则在光屏上形成的相邻两条亮纹（或暗纹）间距离为

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