湖北省佛山記念學校劉顥選自《中學化學教學參考》2009年第4期
“測量玻璃的折射率”實驗原理簡單，操作簡便。也正由于這般，以它為命題內容來考查中學生時，假若不加變換則中學生對它基本上無思維障礙。為了考查中學生能力，就必須對現有實驗進行變換創新，而創新方向的不同帶來了對此內容考查方式的多樣性。
一、變換實驗器材
上述實驗要求有一塊平行透明的玻璃磚，這是一特殊器材，沒有這類透明玻璃磚時能夠用其他性質的玻璃取代？從這個思路出發，于是有了下邊的考法。
例1：（2006，全省卷Ⅱ）一塊玻璃磚有兩個互相平行的表面，其中一個表面是鍍金表面光線不能通過。現要測定此玻璃磚的折射率。給定的器材還有：白紙、鉛筆、大頭針4枚（P1、P2、P3、P4）、帶有刻度的直角三角板、量角器。
實驗時，先將玻璃磚放在白紙上，使上述兩個互相平行的表面與紙面垂直。在紙上畫出直線aa′和bb′，aa′表示鍍金的不透明玻璃表面，bb′表示另一表面，如圖1所示。之后，在白紙上豎直插上兩枚大頭針P1、P2（位置如圖1）。用P1、P2的連線表示入射光線。
（1）為了檢測折射率，應怎樣正確使用大頭針P3、P4？試在題圖中標出P3、P4的位置。
（2）移去玻璃磚與大頭針，試在題圖中通過畫圖方式標出光線從空氣到玻璃中的入射角θ1與折射角θ2。簡略寫出畫圖步驟。
（3）寫出用θ1、θ2表示的折射率公式n＝。
解析：（1）在bb′一側觀察P1、P2（經bb′折射、aa′反射，再經bb′折射后）的像，在適當位置插上大頭針P3，讓P3堵住P1、P2像；再插上大頭針P4讓它堵住P1、P2像和P3。P3、P4的位置如圖2所示。
（2）①過P1、P2作直線與交bb′于O；
②過P3、P4作直線與bb′交于O′；
③利用刻度尺找到OO′的中點M；
④過O點作bb′的垂線CD，過M點作bb′的垂線與aa′相交于N點，如圖2所示，聯接ON；
⑤量得∠P1OD＝θ1，∠CON=θ2。
（3）n＝sinθ1/sinθ2
說明：教材用的是透明平行玻璃磚，而上述考法則把透明玻璃磚變換成反射式玻璃磚，雖然驗方式和原理是一樣的，但考查的靈活性提高了，考查了中學生對實驗方式和原理的理解能力和應用能力。
二、變換實驗方式
如例1所述，原實驗借助插針法來確定光路，這么不用插針法行嗎？從這個思路出發有了下邊的考法。
例2：用半方形玻璃磚測定玻璃折射率的方式如下：
（1）把半方形玻璃磚置于白紙上，定出其圓心O，在白紙上用鋼筆描下其半徑和圓心位置，讓一束光沿與半徑垂直的方向穿入玻璃磚的弧形部份，射到圓心O，如圖3所示。
（2）不改變入射光的方向和位置，讓玻璃磚以O點為軸逆秒針轉動到從玻璃磚平面兩側正好看不到出射光為止。
（3）用鋼筆描下此時玻璃磚半徑的位置，移去玻璃磚測出玻璃磚轉過的角度β，由β估算出折射率。若已知β＝42°，又查出sin42°＝0.67，則玻璃的折射率n＝。
解析：這是借助光的全反射現象測定玻璃折射率的方式。光垂直射向玻璃磚的弧形部份歲月路沿直線傳播，射到玻璃磚的平面部份后再折射下來，當入射角i減小到等于某值時正好沒有光線射出，此時的入射角i即玻璃的臨界角光的折射實驗步驟視頻，也就是玻璃磚平面轉過的角度β。由全反射規律有n＝1/sinβ＝1/sin42°＝1.5。
說明：上述考法打破了用插針方式來確定光路的思維，而是借助全反射原理來確定折射光路；這兒，通過變換實驗方式考查了中學生綜合應用知識的能力。
三、變換實驗數據處理方式
原實驗用已知入射角i作為基準，通過插針方式來確定折射角r，之后藥量角器量出角r，再用三角函數表查出其折射角所對應的余弦值，代入公式n＝sini/sinr得出實驗結果。這些處理很冗長，這么還有其他的數據處理方式嗎？從這些思路出發，于是有了下邊的考法。
例3：某中學生在做“測量玻璃的折射率”實驗時，作完光路圖后以O點為圓心、10.00cm長為直徑畫圓，分別交線段OA、OO′連線的延長線于A、C點，過A點作法線NN′的垂線AB交NN′于點B，過C點作法線NN′的垂線CD交NN′于D點，如圖4所示。沒有量角器未能測角度，那位中學生于是用刻度尺量得AB＝6.00cm，CD=4.00cm，則該玻璃的折射率為。
解析：由題意可知入射角i＝∠AOB，折射角r＝∠COD，則由折射率公式n＝sini/sinr＝(AB/AO)/(CD/CO)＝AB/CD可解得n＝1.5。
說明：上述實驗數據處理方式是用直角三角形的邊與邊對應關系取代三角函數，避開了沒有物理用表和量角器時難以估算的難堪；該考法可以考查中學生靈活處理實驗數據的能力。
四、變換偏差剖析方向
原實驗的偏差主要來始于實驗時玻璃磚所放位置與所作光路圖兩平行界面的不重合。這么，假若變換實驗儀器、實驗方式或使光路圖中兩界面不平行，則實驗偏差剖析方式又會如何呢？于是有了以下幾種考法。
例4：用“插針法”測定透明半圓錐玻璃磚的折射率，O為玻璃截面的圓心，使入射光線跟玻璃磚平面垂直，如圖5所示四個圖中P1、P2、P3、P4是四個中學生實驗插針的結果。
（1）在圖5所示四個圖中肯定把針插錯了位置的是。
（2）在這四個圖中可以比較確切地測定折射率的是。
解析：分別聯接P1、P2和P3、P4用以確定入射光線和出射光線的入射點與折射點，并聯接該兩點，可確定出射光線和玻璃磚內部折射光線，如圖6所示。
由圖6可知，（1）圖A把針插錯了。（2）圖B是r＝i＝0的特殊情況，不能測定n；圖D入射角太大接近臨界角，使出射光線弱、觀察偏差大；而圖C的入射角適中，所以C比較確切。
例5：在用“插針法”測定玻璃磚折射率的實驗中，甲、乙、丙三位朋友在紙上畫出的界面aa′、bb′與玻璃磚位置的關系分別如圖7中的①、②和③所示，其中甲、丙用的是圓形玻璃磚，乙用的是矩形玻璃磚。她們的其他操作均正確，且均以aa′、bb′為界面畫光路圖，則甲、乙、丙三位同事測得的折射率與真實值相比分別為、、（填“偏大”、“偏小”或“不變”）。
解析：因為乙畫的aa′、bb′界面與玻璃磚兩光學表面重合，所以檢測值與真實值相等。如圖8為①③兩圖中分別做出的實際光路圖（圖中虛線）和以aa′、bb′為界面、以大頭針所留痕跡作為出射光線畫出的實驗光路圖（如圖8中實線所示）。
比較實際光路圖與實驗光路圖的折射角關系可知：甲畫的折射角檢測值偏大，則折射率偏小；同理據③圖可知，實際光路可能比實驗光路的折射角小、也可能大、也可能相等，則丙畫的折射率可能偏大、可能偏小、也可能不變。
說明：例4從實驗原理、實驗的可視性方向上考查實驗偏差剖析，而例5則綜合考查了幾種偏差現象，大大提升了對中學生的能力要求。偏差剖析方向的變換，對中學生偏差剖析能力提出了更高的要求。
五、實驗的開放性拓展
例6：某研究小組的朋友依照所學光學知識，設計了一個測液體折射率的儀器。如圖9所示，在一圓盤上過其圓心O作兩條相互垂直的半徑BC、EF，在直徑OA上垂直大盤插下兩枚大頭針P1、P2，并保持P1、P2位置不變；每次檢測時讓圓盤的BFC部份豎直溶入液體中，并且總促使液面與半徑BC相平，EF作為界面的法線，而后在圖中右上方區域觀察P1、P2的像，并在圓周上插上大頭針P3，使P3剛好堵住P1、P2的像。朋友們通過估算，預先在圓周EC部份刻好了折射率的值，這樣只要按照P3所插位置，就可直接讀出液體折射率的值。
（1）若∠AOF＝30°，OP3與OC的傾角為30°，則P3處所對應的折射率值為。
（2）圖中P3、P4兩位置哪一處所對應的折射率值大？答：。
（3）作AO的延長線交圓周于K，K處所對應的折射率值應為。
解析：這個裝置可以說是一個簡易的液體折射率檢測裝置。它的原理還是借助折射定理，只是入射角固定，而折射角的位置被刻好的折射率值所替代，因而可直接讀取折射率。
（1）由折射定理有n＝sin∠EOP3/sin∠AOF＝sin60°/sin30°＝1.73。
（2）因入射角固定，折射角越大則折射率越大，而折射角∠EOP3＜∠EOP4，故P4對應的折射率大。
（3）假如光線經過液體中的P1、P2后沒有偏折，直射到K點，則該液體折射率為n＝1。
說明：上述實驗的原理與操作方式與“測量玻璃折射率”一樣，只不過這兒弄成了檢測液體的折射率，并且可以檢測各類透明液體的折射率；更重要的一點在于，它是可直接讀出折射率的一種簡易檢測裝置。所以這些變換除了是實驗題目的開放性拓展光的折射實驗步驟視頻，更是實驗方法的改革，甚至可以說它能弄成一種產品。
對“測量玻璃折射率”實驗的考查經過多年變遷，通過變換實驗器材、變換實驗方式、變換實驗數據處理方式、變換偏差剖析方向、實驗的開放性拓展等，使考法多種多樣，也從各個角度考查了中學生理解和處理問題的能力。
從這兒也可以見到，對教材上的一個簡單實驗，只要我們勇于創新從不同角度去理解、演繹它，就可挖掘出豐富多彩的內容。而中考所謂的創新試卷不正是這樣得下來的嗎？與其考前猜題，還不如學習過程中有意識地按上述思路來對所學的各個知識點詮釋變換一番。
文件下載（已下載3992次）