劉小蘭 武銀根

摘 要：對(duì)高中物理“測(cè)定玻璃磚的折射率”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使用直線插針板進(jìn)行測(cè)量，方便快捷，同時(shí)也提高了測(cè)量的精度。另外，根據(jù) “單位圓法”處理數(shù)據(jù)，筆者設(shè)計(jì)了折射率尺，并用折射率尺快速測(cè)出水的折射率和玻璃磚的折射率。

關(guān)鍵詞：折射率；直線插針板；折射率尺

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）6-0046-3

直線插針板、折射率尺，創(chuàng)意新穎、實(shí)驗(yàn)效果明顯，本文就折射率尺的設(shè)計(jì)理論、實(shí)踐操作等方面展開(kāi)討論。

1 教材實(shí)驗(yàn)介紹

人教版高中物理選修3-4“測(cè)定玻璃磚的折射率”實(shí)驗(yàn)介紹如下：在木板上放白紙，紙上畫(huà)好玻璃磚邊界線、法線、入射光線。利用木塊敲打大頭針使其豎直插在木板上，在玻璃磚另一側(cè)透過(guò)玻璃磚觀察大頭針的像，調(diào)整視線的方向直到兩枚大頭針的像擋住。再插上另外兩枚大頭針，使得后面兩枚大頭針完全擋住前面兩枚大頭針的像，以此確定通過(guò)玻璃磚后的出射方向。移走器材后，利用入射光線與玻璃磚邊界線的交點(diǎn)以及出射光線與玻璃磚邊界線的交點(diǎn)，在白紙上補(bǔ)上玻璃磚里面的折射光線，通過(guò)測(cè)量角度后計(jì)算折射率。（圖1）

2 直線插針板

在測(cè)定玻璃的折射率實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何確定入射光線和出射光線的方向是關(guān)鍵，教材實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在木板上插大頭針的方法確定。在實(shí)驗(yàn)中把大頭針豎直插上木板對(duì)學(xué)生來(lái)講有點(diǎn)困難，一是用力過(guò)大容易使大頭針彎曲，二是大頭針要保持較好的豎直不太容易。針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)出了直線插針板。如圖2所示，在畫(huà)好直線的薄型泡沫直板上預(yù)先豎直插上兩根大頭針，方向確定只要在直線兩端處記錄兩點(diǎn)并連成直線即可，實(shí)驗(yàn)過(guò)程快速簡(jiǎn)單。

如圖3所示，把長(zhǎng)方形的玻璃磚放在畫(huà)好邊界（入射光線也可以預(yù)先畫(huà)好）的白紙上，在玻璃磚一側(cè)放上直線插針板1，在玻璃磚的另一側(cè)放上直線插針板2。透過(guò)玻璃磚觀察，同時(shí)調(diào)整插針板2，直到插針板2的兩個(gè)插針完全擋著插針板1的兩個(gè)插針的像。確定玻璃磚的位置，找出入射點(diǎn)O，出射點(diǎn)O′，連接OO′，過(guò)O點(diǎn)作法線NN′。

用量角器量出入射角θ1和折射角θ2，從三角函數(shù)表查出它們的正弦值，代入公式n=sinθ1/sinθ2，求出玻璃的折射率n。實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要木板；（2）大頭針很容易豎直插上；（3）方向的確定更精確（插針板根據(jù)實(shí)驗(yàn)紙的大小確定可以較長(zhǎng)），誤差更?。唬?）實(shí)驗(yàn)快捷簡(jiǎn)單。

3 單位圓法

4 折射率尺

根據(jù)“單位圓法”的理論，若把E′H′作為單位長(zhǎng)度，則EH在單位長(zhǎng)度下所對(duì)應(yīng)的刻度值即為折射率。為了快速讀出單位長(zhǎng)度下EH的刻度值，過(guò)入射點(diǎn)O作水平線代表兩種介質(zhì)的界面，過(guò)入射點(diǎn)O作豎直線代表界面的法線。在第二象限建立直角坐標(biāo)系，取單位長(zhǎng)度等于E′H′，均勻分成10等分。由于單位長(zhǎng)度是定值，所以折射光線需保持不變，測(cè)定不同的介質(zhì)，只需調(diào)整入射光線，并讀出入射光線與圓的交點(diǎn)在水平坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的刻度值，就可以測(cè)出不同介質(zhì)的折射率。當(dāng)折射光線保持不變，即折射角一定時(shí)，根據(jù)n=1/sinθ2，可知折射率尺測(cè)量范圍由折射角決定，折射角越小，折射率測(cè)量范圍越大。為了減小測(cè)量誤差，我們可以選用不同測(cè)量范圍的折射率尺，例如，折射角為30°的折射率尺可以快速測(cè)量出折射率小于等于2的介質(zhì)的折射率。若要測(cè)量折射率大于2的介質(zhì)，只需折射角小于30°的折射率尺，如圖5所示。

5 測(cè)玻璃磚的折射率

把長(zhǎng)方形玻璃磚水平放在折射率尺上并使其長(zhǎng)邊與折射率尺的分界面剛好重合，激光筆中的激光束由空氣通過(guò)原點(diǎn)照射玻璃磚的一側(cè)，調(diào)整入射光線，保持折射光線不變并與折射率尺上預(yù)先畫(huà)好的線剛好重合，讀出入射光線與圓的交點(diǎn)在水平軸上的值即玻璃的折射率。利用折射率尺測(cè)量玻璃磚的折射率為n=1.42，與該玻璃出廠所標(biāo)折射率n=1.41非常接近（如圖6所示）。

6 測(cè)水的折射率

把折射率尺的光滑面緊貼水槽壁豎直插入水中（由于水的壓力作用，折射率尺會(huì)緊貼水槽穩(wěn)固在水中不會(huì)掉落到水里），并使其分界面與長(zhǎng)方形水槽液面剛好重合，激光筆中的激光束由空氣通過(guò)原點(diǎn)照射水中調(diào)整入射光線，保持折射光線不變并與折射率尺上預(yù)先畫(huà)好的線剛好重合，讀出入射光線與圓的交點(diǎn)在水平軸上的值，即為水的折射率。利用折射率尺測(cè)量水的折射率n=1.35，與水的折射率n=1.33非常接近（如圖7所示）。

折射率尺在測(cè)量水的折射率時(shí)，非常方便快捷，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)定液體折射率難以確定入射光線和折射光線的問(wèn)題。

折射率尺也可以制成水槽形狀，里面加入液體，只需液面剛好與折射率尺分界面重合即可。激光筆中的激光束由空氣通過(guò)原點(diǎn)照射水中調(diào)整入射光線，保持折射光線不變并與折射率尺上預(yù)先畫(huà)好的線剛好重合，讀出入射光線與圓的交點(diǎn)在水平軸上的值即水的折射率。這樣就可以把折射率尺和水槽合二為一，減少實(shí)驗(yàn)器材，攜帶方便。

折射率尺測(cè)量介質(zhì)的折射率，快速簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)直接，一方面減少了測(cè)量的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)處理，另一方面也增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和掌握。折射率尺不僅可以測(cè)量固體的折射率也可以測(cè)量液體的折射率，因此具有非常大的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌.物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010.（欄目編輯 王柏廬）