直线插针板和折射率尺

刘小兰 武银根

摘 要：对高中物理“测定玻璃砖的折射率”实验进行改进，使用直线插针板进行测量，方便快捷，同时也提高了测量的精度。另外，根据 “单位圆法”处理数据，笔者设计了折射率尺，并用折射率尺快速测出水的折射率和玻璃砖的折射率。

关键词：折射率；直线插针板；折射率尺

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）6-0046-3

直线插针板、折射率尺，创意新颖、实验效果明显，本文就折射率尺的设计理论、实践操作等方面展开讨论。

1 教材实验介绍

人教版高中物理选修3-4“测定玻璃砖的折射率”实验介绍如下：在木板上放白纸，纸上画好玻璃砖边界线、法线、入射光线。利用木块敲打大头针使其竖直插在木板上，在玻璃砖另一侧透过玻璃砖观察大头针的像，调整视线的方向直到两枚大头针的像挡住。再插上另外两枚大头针，使得后面两枚大头针完全挡住前面两枚大头针的像，以此确定通过玻璃砖后的出射方向。移走器材后，利用入射光线与玻璃砖边界线的交点以及出射光线与玻璃砖边界线的交点，在白纸上补上玻璃砖里面的折射光线，通过测量角度后计算折射率。（图1）

2 直线插针板

在测定玻璃的折射率实验教学中，如何确定入射光线和出射光线的方向是关键，教材实验是通过在木板上插大头针的方法确定。在实验中把大头针竖直插上木板对学生来讲有点困难，一是用力过大容易使大头针弯曲，二是大头针要保持较好的竖直不太容易。针对这种情况，笔者设计出了直线插针板。如图2所示，在画好直线的薄型泡沫直板上预先竖直插上两根大头针，方向确定只要在直線两端处记录两点并连成直线即可，实验过程快速简单。

如图3所示，把长方形的玻璃砖放在画好边界（入射光线也可以预先画好）的白纸上，在玻璃砖一侧放上直线插针板1，在玻璃砖的另一侧放上直线插针板2。透过玻璃砖观察，同时调整插针板2，直到插针板2的两个插针完全挡着插针板1的两个插针的像。确定玻璃砖的位置，找出入射点O，出射点O′，连接OO′，过O点作法线NN′。

用量角器量出入射角θ1和折射角θ2，从三角函数表查出它们的正弦值，代入公式n=sinθ1/sinθ2，求出玻璃的折射率n。实验的优点：（1）不需要木板；（2）大头针很容易竖直插上；（3）方向的确定更精确（插针板根据实验纸的大小确定可以较长），误差更小；（4）实验快捷简单。

3 单位圆法

4 折射率尺

根据“单位圆法”的理论，若把E′H′作为单位长度，则EH在单位长度下所对应的刻度值即为折射率。为了快速读出单位长度下EH的刻度值，过入射点O作水平线代表两种介质的界面，过入射点O作竖直线代表界面的法线。在第二象限建立直角坐标系，取单位长度等于E′H′，均匀分成10等分。由于单位长度是定值，所以折射光线需保持不变，测定不同的介质，只需调整入射光线，并读出入射光线与圆的交点在水平坐标上对应的刻度值，就可以测出不同介质的折射率。当折射光线保持不变，即折射角一定时，根据n=1/sinθ2，可知折射率尺测量范围由折射角决定，折射角越小，折射率测量范围越大。为了减小测量误差，我们可以选用不同测量范围的折射率尺，例如，折射角为30°的折射率尺可以快速测量出折射率小于等于2的介质的折射率。若要测量折射率大于2的介质，只需折射角小于30°的折射率尺，如图5所示。

5 测玻璃砖的折射率

把长方形玻璃砖水平放在折射率尺上并使其长边与折射率尺的分界面刚好重合，激光笔中的激光束由空气通过原点照射玻璃砖的一侧，调整入射光线，保持折射光线不变并与折射率尺上预先画好的线刚好重合，读出入射光线与圆的交点在水平轴上的值即玻璃的折射率。利用折射率尺测量玻璃砖的折射率为n=1.42，与该玻璃出厂所标折射率n=1.41非常接近（如图6所示）。

6 测水的折射率

把折射率尺的光滑面紧贴水槽壁竖直插入水中（由于水的压力作用，折射率尺会紧贴水槽稳固在水中不会掉落到水里），并使其分界面与长方形水槽液面刚好重合，激光笔中的激光束由空气通过原点照射水中调整入射光线，保持折射光线不变并与折射率尺上预先画好的线刚好重合，读出入射光线与圆的交点在水平轴上的值，即为水的折射率。利用折射率尺测量水的折射率n=1.35，与水的折射率n=1.33非常接近（如图7所示）。

折射率尺在测量水的折射率时，非常方便快捷，突破了传统实验中测定液体折射率难以确定入射光线和折射光线的问题。

折射率尺也可以制成水槽形状，里面加入液体，只需液面刚好与折射率尺分界面重合即可。激光笔中的激光束由空气通过原点照射水中调整入射光线，保持折射光线不变并与折射率尺上预先画好的线刚好重合，读出入射光线与圆的交点在水平轴上的值即水的折射率。这样就可以把折射率尺和水槽合二为一，减少实验器材，携带方便。

折射率尺测量介质的折射率，快速简单、数据直接，一方面减少了测量的复杂性和数据处理，另一方面也增强了学生对实验原理的理解和掌握。折射率尺不仅可以测量固体的折射率也可以测量液体的折射率，因此具有非常大的实用价值和推广价值。

参考文献：

[1]张大昌.物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010.（栏目编辑 王柏庐）