Практикум по геометрической и волновой оптике 11-й класс. Работа 4.
учебно-методический материал по физике (11 класс) на тему

Практикум по геометрической и волновой оптике 11-й класс.

РАБОТА 4. Изучение хода преломления лучей в призме и определение показателя преломления материала призмы

Цель: измерение углов падения и преломления при усложненной геометрии хода лучей, измерение показателя преломления материала среды, образующей призму. В эксперименте негласно предполагается, что стенка сосуда очень тонкая, т. е. оптическая длина пути в ней мала по сравнению с оптической длиной пути в жидкости: 2nст d << nxL.

Оборудование: лазерный брелок, бумага, карандаш, транспортир, призма. Роль призмы (рис. 8) может играть блок стекла, оргстекла или желатина, бутыль или флакон 3 (4-, 5-, 6-)-угольного сечения, часть пластиковой бутылки с водой (см. работу № 5, рис. 14).

Ход работы

1. Положите призму на лист бумаги и обведите контур преломляющего угла (рис. 9, а).

Рис. 8

2. Направьте луч лазерного брелока на одну из граней преломляющего угла так, чтобы угол падения был острым. «Ловя» луч кончиком карандаша, отметьте несколько точек до первой и после второй преломляющей грани призмы, показывающих ход луча лазера до и после преломления.
3. Уберите призму и по построенным точкам восстанови те ход луча до призмы, после призмы и внутри нее. Восстановите перпендикуляры к соответствующим плоскостям в точке входа и точке выхода луча из призмы. Измерьте углы: α1 - угол падения на первую грань, γ1 - угол преломления на первой грани, α2 и γ2 - углы падения и преломления на второй грани. Занесите результаты измерений в табл. 3.

Рис. 9

4. Рассчитайте показатель преломления материала призмы по отношению синусов углов падения и преломления на первой и второй гранях и занесите их в табл. 3.
5. Выполните п. 1-4 для двух других углов падения (измените угол α1).
6. Проанализируйте данные табл. 3 и ответьте:

а)        Какая закономерность наблюдается для углов α1 и γ1;

α2 и γ2?

б)        Какую общую закономерность можно отметить для падающего на призму и выходящего из нее лучей при разных α1?

в)        Каково среднее значение показателя преломления материала призмы?

7*. Проведите дополнительное исследование и выясните, как при увеличении преломляющего угла призмы φ меняется угол отклонения ψ между падающим лучом и вышедшим из призмы (рис. 9, б).

8* . Подберите угол падения, при котором луч, пройдя через призму, полностью отражается от второй грани, а не преломляется на ней (рис. 9, в). Проведите измерение и оцените показатель преломления призмы по величине критического угла полного внутреннего отражения Θ.

Примечания для учителя

• При выполнении п. 6 учащиеся должны отметить:

а)        на первой грани угол падения всегда больше угла преломления, на второй грани - угол падения всегда меньше угла преломления;

б)        луч, пройдя через призму, всегда отклоняется от вершины преломляющего угла (к основанию, если призма треугольная);

в)        различия в значениях показателей преломления объясняются ошибками при проведении эксперимента.

• При выполнении п. 7 и 8 сильных учащихся можно попросить вывести наблюдаемые закономерности теоретически из законов преломления и геометрических соображений.
• В табл. 3 приведены типовые данные, полученные на стандартной школьной призме из стекла (рис. 8, г). Можно выдать бланк таблицы вместе с описанием работы.
• Ошибки в получении величин n связаны со случайными отклонениями, возникающими при построении хода луча в призме, поэтому ошибку результата можно получить как случайную погрешность (см.: Физика-10/Под ред. Пинского А.А. - М.: Просвещение, 1995, с. 369). Со школьников, которые не знакомы с теорией расчета ошибок измерений, достаточно потребовать качественно указать основной источник ошибок при расчете n и рассчитать его среднеарифметическое значение.

Таблица 3

Использованы материалы приложения к газете «Первое сентября» «Физика №2-2001г.».