第 4 章第 2 节科学测量：玻璃的折射率

折射率是光学材料的重要指标。例如，在制造汽车挡风玻璃时，对折射率和形状都有十分严格的要求；在钻石鉴定过程中，常常根据折射率的大小来判断钻石的真伪（图 4-12）。如何测量介质的折射率？本节我们将学习用简便的方法测量玻璃的折射率。

实验目的

（1）测量玻璃的折射率。

（2）学习用插针法确定光路。

实验器材

木板、白纸、玻璃砖、大头针、图钉、刻度尺、量角器、铅笔。

实验原理与设计

当光从空气射入玻璃时，根据折射定律 \(\frac{{\sin i}}{{\sin r}}\) = n，测出入射角 i 和折射角 r，就可计算出玻璃的折射率。

如图 4-13 所示，透过玻璃砖观察大头针 P₁、P₂，调整视线方向，直到 P₂ 的像挡住 P₁ 的像。再在观察者同一侧依次插入大头针 P₃、P₄，使 P₃ 挡住 P₁、P₂ 的像，P₄ 挡住 P₃ 和 P₁、P₂ 的像。这样，P₁、P₂ 以及 P₃、P₄ 的连线分别代表入射光和经玻璃砖折射后射出的光，由此便可画出光路图并测出入射角和折射角。

实验步骤

（1）把白纸固定在木板上，再将玻璃砖放在白纸上。用铅笔描出界面 aa′、bb′，利用两枚大头针确定入射光的方向［图 4-14（a）］。

安全警示

实验中使用大头针时要小心且不能乱放，以免误伤自己或他人。对玻璃器材等也需轻拿轻放。不要用手和铅笔直接接触玻璃砖的光学面，以免弄脏。

（2）用两枚大头针在玻璃砖的另一侧确定出射光的方向［图 4-14（b）］。

（3）取走玻璃砖，根据入射光和出射光的方向确定入射点 O 和出射点 E，连接 OE 即为玻璃砖内部的折射光。画出过入射点 O 的法线 NN′［图 4-14（c）］。

（4）根据画出的光路图测量入射角 i、折射角 r，填入设计的表格中。计算玻璃的折射率 n = \(\frac{{\sin i}}{{\sin r}}\)。

（5）重复以上实验步骤多次，最后求出玻璃折射率的平均值。

数据分析

将测量的数据记入你设计的表格中，分析数据，形成结论。

实验结论

写出实验结论。

讨论

（1）为减小测量误差，选择玻璃砖时，宽度宜大些还是小些？还可采取哪些措施？为什么？

（2）如果实验中采用的不是两面平行的玻璃砖，而是用三棱镜或半圆形玻璃砖，能否测出相应的折射率？请说明理由。

素养提升

能分析相关事实，提出并准确表述在实验中可能出现的物理问题；能在他人帮助下制订实验方案，能用玻璃砖等相关器材收集数据；能分析数据，测得玻璃的折射率；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现设计的实验表格、数据分析过程及实验结论，能有效陈述并讨论交流实验过程中的问题。注意提升实验设计能力、实验测量能力与误差分析能力。

——科学探究