“测定玻璃砖折射率”的实验比较

“测定玻璃砖折射率”的实验比较

赵艺涵

贵州师范大学物理与电子科学学院 贵州贵阳 550025

摘要：“测定玻璃砖折射率”实验是出自选择性必修1第4章第1节“光的折射”中的验证实验，但是教材上提供的传统插针法在实际教学中往往操作困难。所以此次利用激光笔对“插针法”的操作进行了改进，并采用两种不同的数据采集方法，得到了实验数据并对比，并对比同一块玻璃砖不同的边作为临界面的实验数据结果，发现采用矩形玻璃砖的长平行边作为临界面，测得的玻璃的折射率更为准确，实验结果更符合教材提供的参考范围。

关键词：折射率；插针法；比较实验

1.问题的提出

“测定玻璃砖折射率”是出自选择性必修1第4章第1节“光的折射”中，在教材中的安排是先了解客观规律，接着采用实验测量及验证。在沪科技版与人教版的教材中，均采用“插针法”来测定其折射率，其原理与实验操作都比较简单，学生容易操作。但是其仍然存在这一些问题，1.插大头针时，4枚大头针很难做到都呈竖直状，且用目测的方式确定大头针的位置也存在一定的误差；2.且当入射角增大，折射光强度会减小，大头针的虚像也会变暗，用眼睛观测很难判断像的位置是否重合【1】；在数据采集时，学生使用量角器测量角度也会存在一定的人为误差；3.大头针本身就存在一定的线度不能忽略。

2.实验部分

2.1 实验原理

光从真空中射入到某种介质中发生折射现象，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比，称作这种介质的绝对折射率，简称折射率

折射率的计算公式为

人教版的教材中，利用“插针法”测量玻璃折射率，利用激光笔发射光线，通过大头针确定光路。

在处理数据时，也可以使用等效圆法，将对角度的测量等效为对长度的测量。

即是，测定折射率需要计算和，而依据三角函数关系

联立以上四个式子，则只需要测出，既可以测出玻璃砖的折射率。

2.2 实验步骤

（1）将废旧快递箱剪成一块长方形纸垫，在其上面放置一张白纸，将矩形玻璃砖固定在白纸上（利用三角板辅助），用铅笔勾勒出它平行边的轮廓；

（2）利用激光笔发出的光线照射在玻璃砖的边上，调整入射光线位置，使纸面能较为完整的呈现出折射光线与反射光线；

（3）利用两只大头针确定纸面上的入射光线及折射光线；

（4）利用两点确定直线的原理，确定光路，并绘制光路图；

（5）改变入射光射入的角度，并重复2/3/4的步骤

（6）重新利用一张白纸，将矩形玻璃砖固定在白纸上，并绘制出其短边的轮廓，并重复以上步骤；

（7）利用插针法，即利用两枚大头针模拟入射光线，在玻璃砖另一侧，单只眼睛观察两根大头针的位置，并确定第三枚大头针的位置，要求第三枚大头针要与前两枚打头阵的像重合，并确定第四枚大头针位置；

（8）记录下多次实验中的入射光、折射光路的角度；

（9）采用单位圆法，重复以上步骤再次实验，比较两种处理方法。

2.3 数据处理

 （1）玻璃砖长边的测量

玻璃砖长边的测量使用了插针法与激光笔插针法两种方法，并都使用测量其角度的方法，收集数据并进行处理。

根据数据可以发现，采用矩形玻璃砖的长边进行测量，测出的玻璃砖的折射率分别为1.67和1.59，有一定的差异，且观察插针法的数据，第三组的折射率明显过小，可能存在的误差较大。且在实验中，发现插针法单凭眼睛观测两个大头针透过玻璃砖的虚像确定大头针位置，确实十分困难，而采用激光笔进行插针确定光线时，实验现象相较而言更为明显，插针也较为方便。

同理对矩形玻璃砖的短边作为临介面进行测量，并对其实验数据进行收集并处理，将依旧采用教材中的传统插针法与激光插针法两种方法进行数据收集【2】。

研究对比两种方法，激光笔插针法得到的玻璃砖折射率较大，而插针法测得的玻璃砖折射率较小，二者相差较大；而在实验过程当中，使用激光笔插针法，找到折射光线都有些困难；而采用传统的插针法，不能像矩形长边一样随意插针，且在另一侧难以观察，最后难以插针。

再次尝试用等效圆法对数据进行收集并处理，实验方法仍然用激光笔“插针法”，只是将对角度的测量转化为对长度的测量，得到其实验数据及结果

根据数据可以发现，采用等效圆法所得的数据与采用计算正弦值的数据相差不大，但是在计算的难度上明显简单许多，且因为不用近似值，一定程度上减小了计算带来的误差。

将以上三组数据与教材所给数据对比，可以发现：

（1）用矩形玻璃砖的长边作为临界面，测量出的两种方法都符合教材给的参考数据。

（2）用矩形玻璃砖的短边作为临界面，仅有利用激光笔插针法符合参考数据，而传统的插针法不在范围之内。

（3）采用等效圆法与计算正弦值两种方法，处理出的数据都在参考范围内。

2.4 实验结果分析

从实验教学的角度出发，采用等效圆法耗时少，方法简单，在实验中更利于学生操作，只是在了解实验原理时，需要引导学生发现，可以利用三角函数关系，将角度的测量转变为长度测量【3】。

而针对激光笔法与插针法两种实验方法对比，可以发现插针法在实验教学中，学生容易知其然不知其所以然，为什么要在另一侧使第三枚大头针与之前的相重合，更多是机械操作，且传统的插针法，尽管已经将木板改为纸板，大头针相较而言不易弯曲，但实际操作时，仍然在画线、插针的过程中难免触碰，大头针位置易改变。激光笔插针法学生更易观察到实验现象，操作时也容易。

从实验结果来看，采用玻璃砖短边作为临界面与参考范围的出入较大。这也应证了为什么在教材实验示意图及大多数论文中，均采用玻璃砖长边作为临界面，这也是因为长边能找到的折射光线的范围更大，有利于减小实验的误差。而短边的缺点则在于不能以任意角度进行插针，以及其折射光线范围有限，而小度数测量与估读中都容易存在误差。

综上所述，教师在进行实验教学时，可以先让学生发现白纸上的光的折射现象，甚至可以让学生分组进行对比，自己发现传统插针方法与激光笔插针法的实验结果，甚至可以进一步进行误差分析，培养学生的科学探究能力。

参考文献

[1]张志春;彭朝阳. “测定玻璃的折射率”实验的再改进[J]. 中学理科园地, 2021, 17 (02): 71-72.

[2]蔡千斌. 基于学习进阶的高中物理“学生实验”教学设计——以“测定玻璃的折射率”为例[J]. 物理教师, 2020, 41 (11): 16-19.

[3]葛永普. 物理探究实验的创新设计——以“测定玻璃折射率”为例[J]. 中学物理教学参考, 2020, 49 (11): 46-48.

[4]罗慧. 激光笔“光路”可视的另类方法及应用[J]. 物理教学, 2017, 39 (06): 16-17.