直線插針板和折射率尺

劉小蘭 武銀根

摘 要：對高中物理“測定玻璃磚的折射率”實驗進行改進，使用直線插針板進行測量，方便快捷，同時也提高了測量的精度。另外，根據(jù) “單位圓法”處理數(shù)據(jù)，筆者設(shè)計了折射率尺，并用折射率尺快速測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

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）6-0046-3

直線插針板、折射率尺，創(chuàng)意新穎、實驗效果明顯，本文就折射率尺的設(shè)計理論、實踐操作等方面展開討論。

1 教材實驗介紹

人教版高中物理選修3-4“測定玻璃磚的折射率”實驗介紹如下：在木板上放白紙，紙上畫好玻璃磚邊界線、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以及出射光線與玻璃磚邊界線的交點，在白紙上補上玻璃磚里面的折射光線，通過測量角度后計算折射率。（圖1）

2 直線插針板

在測定玻璃的折射率實驗教學中，如何確定入射光線和出射光線的方向是關(guān)鍵，教材實驗是通過在木板上插大頭針的方法確定。在實驗中把大頭針豎直插上木板對學生來講有點困難，一是用力過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。針對這種情況，筆者設(shè)計出了直線插針板。如圖2所示，在畫好直線的薄型泡沫直板上預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并連成直線即可，實驗過程快速簡單。

如圖3所示，把長方形的玻璃磚放在畫好邊界（入射光線也可以預先畫好）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。透過玻璃磚觀察，同時調(diào)整插針板2，直到插針板2的兩個插針完全擋著插針板1的兩個插針的像。確定玻璃磚的位置，找出入射點O，出射點O′，連接OO′，過O點作法線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。實驗的優(yōu)點：（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)實驗紙的大小確定可以較長），誤差更??；（4）實驗快捷簡單。

3 單位圓法

4 折射率尺

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

5 測玻璃磚的折射率

把長方形玻璃磚水平放在折射率尺上并使其長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原點照射玻璃磚的一側(cè)，調(diào)整入射光線，保持折射光線不變并與折射率尺上預先畫好的線剛好重合，讀出入射光線與圓的交點在水平軸上的值即玻璃的折射率。利用折射率尺測量玻璃磚的折射率為n=1.42，與該玻璃出廠所標折射率n=1.41非常接近（如圖6所示）。

6 測水的折射率

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，折射率尺會緊貼水槽穩(wěn)固在水中不會掉落到水里），并使其分界面與長方形水槽液面剛好重合，激光筆中的激光束由空氣通過原點照射水中調(diào)整入射光線，保持折射光線不變并與折射率尺上預先畫好的線剛好重合，讀出入射光線與圓的交點在水平軸上的值，即為水的折射率。利用折射率尺測量水的折射率n=1.35，與水的折射率n=1.33非常接近（如圖7所示）。

折射率尺在測量水的折射率時，非常方便快捷，突破了傳統(tǒng)實驗中測定液體折射率難以確定入射光線和折射光線的問題。

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原點照射水中調(diào)整入射光線，保持折射光線不變并與折射率尺上預先畫好的線剛好重合，讀出入射光線與圓的交點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，減少實驗器材，攜帶方便。

折射率尺測量介質(zhì)的折射率，快速簡單、數(shù)據(jù)直接，一方面減少了測量的復雜性和數(shù)據(jù)處理，另一方面也增強了學生對實驗原理的理解和掌握。折射率尺不僅可以測量固體的折射率也可以測量液體的折射率，因此具有非常大的實用價值和推廣價值。

參考文獻：

[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）