“测定玻璃的折射率”实验中的几个问题

“测定玻璃的折射率”实验中的几个问题

“测定玻璃的折射率”实验，是一个很重要的实验，尽管这个实验操作并不复杂，但学生实验时由于不重视、不细心，导致实验准确度、精确度不高或出现错误是常见的。江苏省海门县三厂中学张永兴老师分别分析了实验中发现的几个问题。

1插针的间距问题

这个实验是用“插针法”确定入射光线和出射光线的，插针P₁与P₂、P₃与P₄的间距要适当地大些，不能靠得很近，这样可减少确定光路方向时出现的误差，提高测量的准确度。如图1所示的两组插针结果，测量结果准确度高的是图（甲），而不是图（乙）。

图1

2插针的取向问题

实验时是以插针P₁、P₂的连线取向作为入射光线方向的。如果两插针连线与玻璃砖垂直（或接近于垂直），如图2所示，这样，出射光线也垂直于玻璃砖，出现折射角为零的情况，因此就无法测出折射率。同样，如果P₁、P₂连线太靠近玻璃砖，如图3所示，这时入射角接近90°，导致反射光太强，而折射光太弱，不易观察，很难确定P₃、P₄的位置。

图2

图3

由此可知，插针的取向很有讲究，入射角既不能太小（接近零度），也不能太大（接近90°），这样就能尽量减少折射角测量中的误差，提高测量的准确度。

3插针P₁、P₂连线与观察者视线间的关系

实验中，学生虽然注意了上述两个问题，但偶尔会出现隔着玻璃砖观察不到P₁、P₂两插针的情况。原因何在？我们可结合图4给予解释。

图4

原来，插针P1、P2的连线过分射向玻璃砖的右侧，且入射角又大于某一数值，使第一次折射的光线①在ab侧面产生全反射，导致出射光线偏向左下方，而观察者视线仍沿P₂P₁方向，当然无法确定P₃P₄的位置（反之，在a′b′侧面也可能出现这种现象，这时观察者在左侧）。遇到这种现象，可将玻璃砖沿a′a界面向右平移，直至观察到P₁P₂为止。

图5

如果沿界面平移了玻璃砖，仍观察不到P₁、P₂两插针，则另有原因，可用图5解释。主要是在b′b界面发生全反射，导致出射光线与入射光线在界面同侧，而观察者视线仍沿P₂、P₁方向，就观察不到P₁、P₂，这时可改变P₁P₂两插针取向，直至能观察到P₁P₂为止。

4玻璃砖移动问题

实验中一旦玻璃砖宽度所定的界面线aa′和bb′画好后，放置的玻璃砖就不要随便移动。如果上下稍微平移了玻璃砖对测量结果有影响吗？我们可用图6分析（虚线为原放好的位置）。观察插针所定的折射光线应是①，但按移动后的界面作入射光线和出射光线而定的折射光线为②，由于①与②两线段平行且相等，所以折射角没有变化，入射角又相等，因此测得的折射率不变。

图6

图7

若玻璃砖稍微斜移动成图7所示，则测得的折射率肯定发生变化（可作光路图证明，现略），实验时要避免这种情况。

5玻璃砖调换问题

学生往往认为，既然是同一种玻璃物质，在同一种环境中测定的折射率应是唯一的。所以，当界面aa′和bb′画好后，随便调换玻璃砖（即另拿一块玻璃砖），这种实验操作是错误的。因为各块玻璃砖的宽度略有不同。如图8所示，①是观察所确定的折射光线，而bb′边界线原先已定好（虚线所示），②是作图所得折射光线，显然折射角将变大，测得的折射率将会变小。对于图9所示的情况，测得的折射率又会变大。

图8

图9

至于调换后的玻璃砖紧贴bb′界面，同样会出现偏差，因篇幅有限不赘述。

6改用测线段长度测折射率

用量角器量入射角和折射角，再从三角函数表中查出它们的正弦值，这样既麻烦，又会带来更大的误差。若改用圆规和mm刻度尺，既方便又可减少误差。如图10所示，以入射点O为圆心，以折射线OO′为半径画圆，延长入射光线交圆于C点。然后过O′和C分别作aa′的垂线，得交点A和B，用mm刻度尺测OA和OB的长度，则玻璃的折射率。

图10