湖北省佛山记念学校刘颢选自《中学化学教学参考》2009年第4期
“测量玻璃的折射率”实验原理简单，操作简便。也正由于这般，以它为命题内容来考查中学生时，假若不加变换则中学生对它基本上无思维障碍。为了考查中学生能力，就必须对现有实验进行变换创新，而创新方向的不同带来了对此内容考查方式的多样性。
一、变换实验器材
上述实验要求有一块平行透明的玻璃砖，这是一特殊器材，没有这类透明玻璃砖时能够用其他性质的玻璃取代？从这个思路出发，于是有了下边的考法。
例1：（2006，全省卷Ⅱ）一块玻璃砖有两个互相平行的表面，其中一个表面是镀金表面光线不能通过。现要测定此玻璃砖的折射率。给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（P1、P2、P3、P4）、带有刻度的直角三角板、量角器。
实验时，先将玻璃砖放在白纸上，使上述两个互相平行的表面与纸面垂直。在纸上画出直线aa′和bb′，aa′表示镀金的不透明玻璃表面，bb′表示另一表面，如图1所示。之后，在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2（位置如图1）。用P1、P2的连线表示入射光线。
（1）为了检测折射率，应怎样正确使用大头针P3、P4？试在题图中标出P3、P4的位置。
（2）移去玻璃砖与大头针，试在题图中通过画图方式标出光线从空气到玻璃中的入射角θ1与折射角θ2。简略写出画图步骤。
（3）写出用θ1、θ2表示的折射率公式n＝。
解析：（1）在bb′一侧观察P1、P2（经bb′折射、aa′反射，再经bb′折射后）的像，在适当位置插上大头针P3，让P3堵住P1、P2像；再插上大头针P4让它堵住P1、P2像和P3。P3、P4的位置如图2所示。
（2）①过P1、P2作直线与交bb′于O；
②过P3、P4作直线与bb′交于O′；
③利用刻度尺找到OO′的中点M；
④过O点作bb′的垂线CD，过M点作bb′的垂线与aa′相交于N点，如图2所示，联接ON；
⑤量得∠P1OD＝θ1，∠CON=θ2。
（3）n＝sinθ1/sinθ2
说明：教材用的是透明平行玻璃砖，而上述考法则把透明玻璃砖变换成反射式玻璃砖，虽然验方式和原理是一样的，但考查的灵活性提高了，考查了中学生对实验方式和原理的理解能力和应用能力。
二、变换实验方式
如例1所述，原实验借助插针法来确定光路，这么不用插针法行吗？从这个思路出发有了下边的考法。
例2：用半方形玻璃砖测定玻璃折射率的方式如下：
（1）把半方形玻璃砖置于白纸上，定出其圆心O，在白纸上用钢笔描下其半径和圆心位置，让一束光沿与半径垂直的方向穿入玻璃砖的弧形部份，射到圆心O，如图3所示。
（2）不改变入射光的方向和位置，让玻璃砖以O点为轴逆秒针转动到从玻璃砖平面两侧正好看不到出射光为止。
（3）用钢笔描下此时玻璃砖半径的位置，移去玻璃砖测出玻璃砖转过的角度β，由β估算出折射率。若已知β＝42°，又查出sin42°＝0.67，则玻璃的折射率n＝。
解析：这是借助光的全反射现象测定玻璃折射率的方式。光垂直射向玻璃砖的弧形部份岁月路沿直线传播，射到玻璃砖的平面部份后再折射下来，当入射角i减小到等于某值时正好没有光线射出，此时的入射角i即玻璃的临界角光的折射实验步骤视频，也就是玻璃砖平面转过的角度β。由全反射规律有n＝1/sinβ＝1/sin42°＝1.5。
说明：上述考法打破了用插针方式来确定光路的思维，而是借助全反射原理来确定折射光路；这儿，通过变换实验方式考查了中学生综合应用知识的能力。
三、变换实验数据处理方式
原实验用已知入射角i作为基准，通过插针方式来确定折射角r，之后药量角器量出角r，再用三角函数表查出其折射角所对应的余弦值，代入公式n＝sini/sinr得出实验结果。这些处理很冗长，这么还有其他的数据处理方式吗？从这些思路出发，于是有了下边的考法。
例3：某中学生在做“测量玻璃的折射率”实验时，作完光路图后以O点为圆心、10.00cm长为直径画圆，分别交线段OA、OO′连线的延长线于A、C点，过A点作法线NN′的垂线AB交NN′于点B，过C点作法线NN′的垂线CD交NN′于D点，如图4所示。没有量角器未能测角度，那位中学生于是用刻度尺量得AB＝6.00cm，CD=4.00cm，则该玻璃的折射率为。
解析：由题意可知入射角i＝∠AOB，折射角r＝∠COD，则由折射率公式n＝sini/sinr＝(AB/AO)/(CD/CO)＝AB/CD可解得n＝1.5。
说明：上述实验数据处理方式是用直角三角形的边与边对应关系取代三角函数，避开了没有物理用表和量角器时难以估算的难堪；该考法可以考查中学生灵活处理实验数据的能力。
四、变换偏差剖析方向
原实验的偏差主要来始于实验时玻璃砖所放位置与所作光路图两平行界面的不重合。这么，假若变换实验仪器、实验方式或使光路图中两界面不平行，则实验偏差剖析方式又会如何呢？于是有了以下几种考法。
例4：用“插针法”测定透明半圆锥玻璃砖的折射率，O为玻璃截面的圆心，使入射光线跟玻璃砖平面垂直，如图5所示四个图中P1、P2、P3、P4是四个中学生实验插针的结果。
（1）在图5所示四个图中肯定把针插错了位置的是。
（2）在这四个图中可以比较确切地测定折射率的是。
解析：分别联接P1、P2和P3、P4用以确定入射光线和出射光线的入射点与折射点，并联接该两点，可确定出射光线和玻璃砖内部折射光线，如图6所示。
由图6可知，（1）图A把针插错了。（2）图B是r＝i＝0的特殊情况，不能测定n；图D入射角太大接近临界角，使出射光线弱、观察偏差大；而图C的入射角适中，所以C比较确切。
例5：在用“插针法”测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三位朋友在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图7中的①、②和③所示，其中甲、丙用的是圆形玻璃砖，乙用的是矩形玻璃砖。她们的其他操作均正确，且均以aa′、bb′为界面画光路图，则甲、乙、丙三位同事测得的折射率与真实值相比分别为、、（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
解析：因为乙画的aa′、bb′界面与玻璃砖两光学表面重合，所以检测值与真实值相等。如图8为①③两图中分别做出的实际光路图（图中虚线）和以aa′、bb′为界面、以大头针所留痕迹作为出射光线画出的实验光路图（如图8中实线所示）。
比较实际光路图与实验光路图的折射角关系可知：甲画的折射角检测值偏大，则折射率偏小；同理据③图可知，实际光路可能比实验光路的折射角小、也可能大、也可能相等，则丙画的折射率可能偏大、可能偏小、也可能不变。
说明：例4从实验原理、实验的可视性方向上考查实验偏差剖析，而例5则综合考查了几种偏差现象，大大提升了对中学生的能力要求。偏差剖析方向的变换，对中学生偏差剖析能力提出了更高的要求。
五、实验的开放性拓展
例6：某研究小组的朋友依照所学光学知识，设计了一个测液体折射率的仪器。如图9所示，在一圆盘上过其圆心O作两条相互垂直的半径BC、EF，在直径OA上垂直大盘插下两枚大头针P1、P2，并保持P1、P2位置不变；每次检测时让圆盘的BFC部份竖直溶入液体中，并且总促使液面与半径BC相平，EF作为界面的法线，而后在图中右上方区域观察P1、P2的像，并在圆周上插上大头针P3，使P3刚好堵住P1、P2的像。朋友们通过估算，预先在圆周EC部份刻好了折射率的值，这样只要按照P3所插位置，就可直接读出液体折射率的值。
（1）若∠AOF＝30°，OP3与OC的倾角为30°，则P3处所对应的折射率值为。
（2）图中P3、P4两位置哪一处所对应的折射率值大？答：。
（3）作AO的延长线交圆周于K，K处所对应的折射率值应为。
解析：这个装置可以说是一个简易的液体折射率检测装置。它的原理还是借助折射定理，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，因而可直接读取折射率。
（1）由折射定理有n＝sin∠EOP3/sin∠AOF＝sin60°/sin30°＝1.73。
（2）因入射角固定，折射角越大则折射率越大，而折射角∠EOP3＜∠EOP4，故P4对应的折射率大。
（3）假如光线经过液体中的P1、P2后没有偏折，直射到K点，则该液体折射率为n＝1。
说明：上述实验的原理与操作方式与“测量玻璃折射率”一样，只不过这儿弄成了检测液体的折射率，并且可以检测各类透明液体的折射率；更重要的一点在于，它是可直接读出折射率的一种简易检测装置。所以这些变换除了是实验题目的开放性拓展光的折射实验步骤视频，更是实验方法的改革，甚至可以说它能弄成一种产品。
对“测量玻璃折射率”实验的考查经过多年变迁，通过变换实验器材、变换实验方式、变换实验数据处理方式、变换偏差剖析方向、实验的开放性拓展等，使考法多种多样，也从各个角度考查了中学生理解和处理问题的能力。
从这儿也可以见到，对教材上的一个简单实验，只要我们勇于创新从不同角度去理解、演绎它，就可挖掘出丰富多彩的内容。而中考所谓的创新试卷不正是这样得下来的吗？与其考前猜题，还不如学习过程中有意识地按上述思路来对所学的各个知识点诠释变换一番。
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