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γ,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γ=∠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 γ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 γ=,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i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.