戴 瑞 于海波 黃行健 洪土堆

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130024)

光的折射和全反射演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的探究

戴 瑞 于海波 黃行健 洪土堆

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130024)

根據(jù)人教版八年級(jí)物理上冊(cè)教科書(shū)第4章第4節(jié)光的折射演示實(shí)驗(yàn),進(jìn)行光的折射和全反射演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探究. 改進(jìn)后的演示實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn):通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)光的入射角,觀察不同頻率的光發(fā)生折射、全反射的動(dòng)態(tài)過(guò)程;通過(guò)改變光的入射角,觀察同一頻率的光發(fā)生折射、全反射現(xiàn)象;通過(guò)納米噴霧儀噴霧增加空氣中反射光的可視度;此演示實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)行定量測(cè)量. 此演示實(shí)驗(yàn)在普通教室演示效果非常明顯,可以從定性和定量?jī)煞矫娓玫膸椭鷮W(xué)生理解掌握折射定律和全反射知識(shí).

折射;全反射;演示實(shí)驗(yàn);納米噴霧儀

1 引言

光的反射、折射是初高中幾何光學(xué)的重點(diǎn)知識(shí),到了高中又增加了全反射內(nèi)容的學(xué)習(xí),對(duì)于這部分知識(shí)的學(xué)習(xí),一般情況下,教師通常會(huì)采用演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行導(dǎo)課,再通過(guò)探究引導(dǎo)學(xué)生完成光的反射定律、光的折射定律和全反射的學(xué)習(xí).演示實(shí)驗(yàn)是為了展示物理現(xiàn)象,揭示物理過(guò)程的發(fā)生、發(fā)展,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、思考,并配合教學(xué)內(nèi)容而由教師操作示范的實(shí)驗(yàn),它是物理教學(xué)中最富有活力的部分,所以演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)在一節(jié)課中起著非常重要的作用.此演示實(shí)驗(yàn)根據(jù)人教版八年級(jí)物理上冊(cè)教科書(shū)第4章第4節(jié)光的折射演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)探究,目的是幫助學(xué)生更好地理解掌握光的折射和全反射知識(shí).

2 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

圖1 激光光源

演示實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)儀器有:一個(gè)長(zhǎng)寬高為55 cm×30 cm×40 cm的普通魚(yú)缸、一組自改裝激光光源、一個(gè)小型手持型納米噴霧補(bǔ)水儀. 自改裝激光光源由2個(gè)紅光激光器、2個(gè)綠光激光器、2個(gè)藍(lán)光激光器組成,外殼為航空鋁材,輸出電壓為20 V,配有充電裝置,1個(gè)總開(kāi)關(guān)和6個(gè)獨(dú)立開(kāi)關(guān),如圖1所示. 面向激光光源,6個(gè)激光器的排列順序從右到左為紅光、綠光、藍(lán)光、紅光、綠光、藍(lán)光. 紅光激光器輸出波長(zhǎng)和輸出功率為650 nm和20 mW,綠光激光器輸出波長(zhǎng)和輸出功率為532 nm和20 mW,藍(lán)光激光器輸出波長(zhǎng)和輸出功率為430 nm和20 mW. 因?yàn)榭刂?個(gè)激光器的開(kāi)關(guān)分別是獨(dú)立的,所以使用起來(lái)非常方便,可以任意打開(kāi)其中一個(gè)或幾個(gè)激光器,互不影響,而且配有支架,可以通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)支架的俯仰角來(lái)改變光的入射角,也可以在水平方向上左右旋轉(zhuǎn),改變?nèi)肷涔獾姆较?并配有充電裝置,可以長(zhǎng)期使用. 手持納米噴霧補(bǔ)水儀以霧化納米水分子形式噴出,形成霧,使用非常方便.

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 觀察不同頻率的光發(fā)生折射和全反射的動(dòng)態(tài)過(guò)程

激光光源水平放置,同時(shí)打開(kāi)6個(gè)激光器的開(kāi)關(guān),并調(diào)整6束激光近似平行,從魚(yú)缸的側(cè)面入射,用納米噴霧儀在水面上方進(jìn)行噴霧,空氣中的反射光看得非常清楚,如圖2(a)所示.連續(xù)調(diào)節(jié)支架的俯仰角,觀察激光從水中射入空氣的入射角、折射光、折射角及反射光的變化. 當(dāng)激光從水射入空氣的入射角從小到大連續(xù)變化時(shí),可觀察到折射角變大,折射光越來(lái)越貼近水面,折射光變?nèi)?反射光變強(qiáng),并且藍(lán)光的折射光先消失,接著綠光的折射光消失,最后紅光的折射光消失,所有光都發(fā)生全反射,如圖2(b)和2(c).

由上述演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以啟發(fā)學(xué)生總結(jié)發(fā)生全反射的特點(diǎn): ① 發(fā)生全反射的條件是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì); ② 入射角大于某一角度(臨界角)時(shí)才能發(fā)生全反射現(xiàn)象;③ 發(fā)生全反射時(shí)折射光消失,光(能)全部被反射,反射光變強(qiáng).

還可以幫助學(xué)生得出以下結(jié)論: ① 不同顏色的光發(fā)生全反射時(shí)的臨界角不一樣; ② 藍(lán)光的臨界角小于綠光的臨界角,綠光的臨界角小于紅光的臨界角,進(jìn)而可以總結(jié)出n藍(lán)光>n綠光>n紅光這個(gè)關(guān)系式. 這部分知識(shí)的理解對(duì)后續(xù)光的色散及光電效應(yīng)課程的學(xué)習(xí)非常有幫助.

(a) 6束光的折射現(xiàn)象

(b) 6束光的全反射現(xiàn)象

(c) 6束光的全反射現(xiàn)象的俯視圖

3.2 觀察同一頻率的光發(fā)生折射和全反射現(xiàn)象

從圖2中可以看到,藍(lán)光相對(duì)于紅光和綠光要弱一些,而且同時(shí)演示6束光,有時(shí)不是很好分辨,所以也可以只選擇兩束紅光或兩束綠光進(jìn)行更深一步演示實(shí)驗(yàn)探究.可以把光源豎著放置,通過(guò)旋轉(zhuǎn)激光頭改變?nèi)肷涔獾姆较?讓兩束紅光(或兩束綠光)以不同的入射角入射,同時(shí)演示折射和全反射現(xiàn)象,如圖3所示.通過(guò)對(duì)完全相同的兩束紅光(或兩束綠光)的比較分析,可以更好的理解掌握折射定律和全反射特點(diǎn).從圖中可以清楚地看到發(fā)生全反射時(shí)反射光要比不發(fā)生全反射時(shí)的反射光強(qiáng),而且光全部被反射,沒(méi)有折射光.

(a) 紅光的折射和全反射現(xiàn)象

(b) 綠光的折射和全反射現(xiàn)象

3.3 入射角、反射角和折射角的測(cè)量

用馬克筆在透明塑料紙上畫(huà)一個(gè)360°方位的刻度盤(pán),如圖4所示．這種刻度盤(pán)沾上水后可以直接貼在玻璃上,可以任意移動(dòng),不用時(shí)也可以隨時(shí)拿下來(lái),使用起來(lái)非常方便簡(jiǎn)潔.利用刻度盤(pán),學(xué)生可以完成入射角、反射角和折射角的測(cè)量,折射定律(n1sinθ1=n2sinθ2)的推導(dǎo),如圖5所示,此定量測(cè)量過(guò)程建議只打開(kāi)1個(gè)激光器更為方便.

圖4

圖5

4 總結(jié)

自然界的許多現(xiàn)象都和光的折射、全反射有關(guān),如:彩虹的形成、海市蜃樓的形成等,而且光的反射定律和折射定律也是幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律,所以理解掌握這部分知識(shí)非常重要. 上述演示實(shí)驗(yàn)效果非常明顯,對(duì)學(xué)生的視覺(jué)沖擊很強(qiáng),會(huì)給學(xué)生留下非常深的印象. 而且此演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較豐富,可以根據(jù)需要任意選擇打開(kāi)1個(gè)激光器或2個(gè)激光器或多個(gè)激光器,演示光的直線傳播、反射定律、折射定律、全反射等相關(guān)內(nèi)容.

東北師范大學(xué)2017年度教師教育研究基金項(xiàng)目(131005020)； 東北師范大學(xué)哲學(xué)社會(huì)科學(xué)校內(nèi)青年基金項(xiàng)目(青年團(tuán)隊(duì))(16QT001);東北師范大學(xué)物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器研發(fā)項(xiàng)目(20150107).

2017-04-27)