Eksperimen: Menentukan indeks biasan blok kaca

Tujuan

Menentukan indeks biasan blok kaca dengan mengukur sudut tuju dan sudut biasan.

Pemboleh ubah

• Dimanipulasi: Sudut tuju, i
• Bergerak balas: Sudut biasan, r
• Dimalarkan: Blok kaca yang sama (medium yang sama)

Radas & bahan

• Blok kaca segi empat tepat
• Kotak sinar dengan satu celahan (atau pin optik)
• Kertas putih
• Protraktor
• Pembaris
• Pensel tajam
• Papan lukis

Prosedur

1. Letakkan blok kaca di atas kertas putih dan lukis garis luarnya; tandakan satu titik pada satu sisi panjang dan lukis normal di situ.
2. Arahkan satu sinar ke titik itu supaya sudut tuju i = 30°.
3. Tandakan sinar tuju dan sinar cemat dengan titik atau pin, kemudian alihkan blok.
4. Sambungkan tanda dan lukis sinar biasan di dalam garis luar; ukur sudut biasan r dengan protraktor.
5. Ulang untuk i = 40°, 50°, 60° dan 70°.
6. Rekod i dan r, dan kira sin i serta sin r bagi setiap sudut.

Menjadualkan keputusan

Rekod sudut tuju i dan sudut biasan r dalam darjah, serta nilai terbitan sin i dan sin r. Kekalkan bilangan tempat perpuluhan yang sama bagi nilai sinus.

Graf

Plot sin i (paksi-y) melawan sin r (paksi-x). Garis lurus melalui asalan menunjukkan sin i berkadar terus dengan sin r; kecerunan ialah indeks biasan.

Analisis

Menurut hukum Snell, n = sin i / sin r. Kecerunan graf sin i melawan sin r memberikan indeks biasan n bagi kaca.

Cahaya dan Optik · Kemahiran graf

Contoh keputusan dan maksudnya

Ini bacaan contoh bagi satu sinar cahaya memasuki blok kaca segi empat tepat, dengan sudut tuju i dan sudut biasan r diukur dari normal.

• i = 30°, r = 19.5°, sin i = 0.500, sin r = 0.334
• i = 40°, r = 25.4°, sin i = 0.643, sin r = 0.429
• i = 50°, r = 30.7°, sin i = 0.766, sin r = 0.511
• i = 60°, r = 35.3°, sin i = 0.866, sin r = 0.578
• i = 70°, r = 38.8°, sin i = 0.940, sin r = 0.627

Sinar biasan sentiasa membengkok ke arah normal, jadi r lebih kecil daripada i setiap kali, menunjukkan cahaya menjadi perlahan apabila memasuki kaca yang lebih tumpat. Mengira sin i ÷ sin r bagi setiap baris memberi hampir tepat 1.50 sepanjang.

Nisbah malar itulah mesej eksperimen: itulah hukum Snell dalam tindakan, dan nombor 1.50 ialah indeks biasan kaca. Sudut individu berubah banyak, tetapi nisbah sinusnya kekal tetap.

Membaca graf dan mencari jawapan

Plot sin i pada paksi-y melawan sin r pada paksi-x. Titik-titik terletak pada garis lurus yang melalui asalan, menunjukkan sin i berkadar terus dengan sin r.

Ambil segi tiga besar pada garis penyuaian terbaik menggunakan dua titik yang jauh terpisah, contohnya (0.334, 0.500) dan (0.627, 0.940):

• kecerunan = (0.940 − 0.500) ÷ (0.627 − 0.334) = 0.440 ÷ 0.293 = 1.50

Kecerunan tiada unit kerana kedua-dua sin i dan sin r ialah nisbah tulen, dan kecerunan ini ialah indeks biasan n kaca. Maka n = 1.50.

Kerana garis melalui asalan, anda patut membaca koordinat dari garis yang dilukis, bukan dari satu titik data. Kertas SPM Fizik 4531 tidak memberi helaian rumus, jadi ingat n = sin i / sin r sendiri.

Pilih skala paksi yang menyebarkan titik yang diplot melebihi separuh grid, dan lukis garis penyuaian terbaik supaya titik seimbang di kedua-dua belahnya. Jika satu titik jelas tersasar dari garis, anggap ia bacaan terpencil, bulatkannya, dan tinggalkannya semasa melukis garis dan mengambil kecerunan.

Markah yang dicari pemeriksa

Langkah berjaga-jaga yang mengekalkan ketepatan sudut:

• Guna pensel tajam supaya garis sinar dan garis luar nipis dan tepat.
• Tandakan sinar tuju dan sinar cemat dengan dua titik yang jauh berjarak setiap satu sebelum mengalihkan blok.
• Ukur setiap sudut dari normal, bukan dari permukaan kaca.
• Kekalkan sinar sempit supaya pusatnya mudah dijejak.

Bagi kemahiran proses sains Kertas 3, pemeriksa memberi markah untuk: mengenal pasti pemboleh ubah dimanipulasi (i), bergerak balas (r) dan dimalarkan (blok kaca yang sama); menjadualkan i, r, sin i dan sin r dengan tempat perpuluhan konsisten; memplot sekurang-kurangnya lima titik dengan paksi berlabel dan garis lurus penyuaian terbaik melalui asalan; dan mencari kecerunan dengan segi tiga besar. Nyatakan hubungan, bahawa sin i berkadar dengan sin r, dan petik indeks biasan sebagai kesimpulan anda.

Ulang setiap bacaan dan ambil purata untuk mengurangkan ralat rawak, dan nyatakan jawapan akhir pada bilangan angka bererti yang munasabah dengan unit yang betul. Dalam perbincangan, namakan satu punca ralat berserta penambahbaikan yang sepadan, dan catat bahawa mana-mana titik tersasar diabaikan supaya kesimpulan bersandar pada data yang konsisten.

Sumber: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)