薄玉嬌，藺冬雪，李雯雯，鄒依彤，王玉新

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，而實(shí)驗(yàn)也是物理教學(xué)中的重要組成部分[1-3]，對學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)有舉足輕重的作用。中學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的演示是將生活中的光學(xué)現(xiàn)象以理想模型的方式進(jìn)行演示[4]，因此光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教具在教學(xué)中的應(yīng)用顯得尤為重要。

在探究光的反射與折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)有傳統(tǒng)的教具能夠?qū)庾裱母鞣N規(guī)律的進(jìn)行探究，但是很多學(xué)者認(rèn)識到傳統(tǒng)教具缺乏趣味性，不利于學(xué)生對于光學(xué)知識的掌握與研究，因此選擇自制光學(xué)實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行教學(xué)。在對于光的各種現(xiàn)象的演示和探究中，利用手電筒、平面鏡和畫有房子的紙片來演示光的反射現(xiàn)象[5]；利用手電筒、水瓶和海景圖等來演示光的折射現(xiàn)象[6]；利用有密度梯度的液體演示全反射現(xiàn)象[7]。演示光學(xué)實(shí)驗(yàn)的自制教具都具有一定的創(chuàng)新性，但是無法在立體空間中呈現(xiàn)光路，沒有真正還原生活中的光學(xué)現(xiàn)象。為了解決以上問題，遲鴻貞老師利用旋轉(zhuǎn)煙室在立體空間中探究光的反射定律，以及演示了光的漫反射現(xiàn)象[8]，很好地展示了光路在立體空間中的傳播的特點(diǎn)以及遵循的規(guī)律。

在以上自制光學(xué)教具的啟示下，又針對光學(xué)教具進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，利用自制教具演示光的各種現(xiàn)象[9,10]。利用可旋轉(zhuǎn)煙室在立體空間中演示光的反射、鏡面傾斜時光的反射現(xiàn)象、光的可逆現(xiàn)象、光的折射和全反射現(xiàn)象以及光的漫反射現(xiàn)象。結(jié)合人教版八年級上冊物理教材第四章光的現(xiàn)象中的各個實(shí)驗(yàn)，全面、直觀地對初中光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了演示與探究[11]。

1 儀器介紹

為了能夠清晰化、立體化的在全空間演示光的各種現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置如下：

用直徑為25 cm、高為20 cm的透明亞克力圓桶(側(cè)面開閥)，旋轉(zhuǎn)花盆底座以及艾草營造可旋轉(zhuǎn)煙室氛圍，以加強(qiáng)光的散射使演示現(xiàn)象更加明顯。亞克力平面板周邊貼有黑色膠帶，使反射光線所在平面可視化并用長柄三角板代替法線。將帶有磁性的半圓玻璃磚吸附在帶有刻度的磁性圓盤上，玻璃磚圓心與圓盤圓心重合，并且設(shè)置可沿盤邊緣轉(zhuǎn)動的支架，激光筆固定在支架上，從而保證激光筆始終照射到半圓玻璃磚的圓心[12]。將一塊木板放在最底層，在底板表面粘上凹凸不平的橡皮泥層，在橡皮泥層上粘有若干平面鏡碎片(避免因平面鏡碎片翻轉(zhuǎn)以及移動，導(dǎo)致反射現(xiàn)象無法演示)，構(gòu)成漫反射演示板，如圖1所示。

圖1 漫反射演示板

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 光的反射

首先，將艾草點(diǎn)燃，將煙從亞克力圓桶的側(cè)面開口注入，蓋上桶蓋，靜置30 s，以達(dá)到煙室的效果。接下來，將平面鏡放在圓桶底部，亞克力平面板和長柄三角板放入其中，用激光筆從桶的頂部照射，可以看到清晰的光路[13]。此時，長柄三角板代替了法線的位置，入射光線、反射光線和法線所在的平面與亞克力平面板所在的平面完全重合，由此可以將無形的法線和平面可視化。接下來，旋轉(zhuǎn)亞克力圓桶，激光筆從不同的方向入射，可以看見入射光線、反射光線以及法線所在的平面是不斷變化的，從而論證了光的反射是存在于空間范圍內(nèi)的。進(jìn)一步探究光的反射角隨著入射角變化的規(guī)律，將有平面鏡的玻璃磚吸附在有刻度的白色圓盤的中心，不斷改變激光筆入射的方向，并記錄下入射角的數(shù)值，同時觀察并記錄反射角的數(shù)值結(jié)果，并比較二者之間的大小關(guān)系。

2.2 鏡面傾斜時光的反射現(xiàn)象

將貼有平面鏡的玻璃磚吸附在白色圓盤上，將白色圓盤傾斜一定角度以達(dá)到鏡面傾斜的效果，此時從圓桶外面觀察平面鏡，是處于傾斜狀態(tài)的，并用激光筆照射在平面鏡的中心；旋轉(zhuǎn)花盆底座，在不同方向上照射平面鏡，觀察圓盤上呈現(xiàn)的光路；不斷改變?nèi)肷浣堑慕嵌龋涗浫肷浣堑拇笮?，觀察并記錄反射角的大小。為了使光的可逆現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)效果明顯，選取兩只顏色不同的激光筆，用紅色激光筆照射在圓盤的平面鏡上面，可以看到紅色激光筆留下的光路，再用綠色激光筆沿著紅色激光筆的反射光路照射，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.3 光的折射、全反射

為了便于演示光的折射、全反射現(xiàn)象，測量光的入射角、反射角大小，以及探究光的折射、全反射定律，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)，如圖2、3所示。在透明亞克力圓桶中放入底座帶有刻度的白色圓盤[14]。在白色圓盤上放置一個直徑為6 cm、帶有磁性的半圓玻璃磚，使其圓心與圓盤圓心重合，并且設(shè)置可轉(zhuǎn)動支架，激光筆固定在支架上，支架可沿盤邊緣滑動，從而保證激光筆始終照射在半圓玻璃磚的圓心上。用激光筆照射玻璃磚，觀察入射光線與反射光線的位置，以及入射角、折射角的大??；接著旋轉(zhuǎn)底座，以便能夠從多角度觀察入射光線、折射光線和界面的關(guān)系；緩慢轉(zhuǎn)動支架，從而增大入射光線的角度，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并記錄入射角、反射角的大小，探究光的折射定律、全反射現(xiàn)象[15]。

圖2 可旋轉(zhuǎn)煙室

圖3 亞克力板

2.4 凹凸透鏡的發(fā)散與會聚

選擇使用5條激光的分光計放在白盤上，分別將凹透鏡、凸透鏡放在白盤上對準(zhǔn)分光計，從而觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.5 光的漫反射

光在煙室中發(fā)生散射，可以觀察到不同入射光下的反射光路，反射光線向四面八方傳播。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

如圖4所示，可以清晰地演示出法線和三線所在的平面位置，論證光的反射存在于立體空間，同時通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到反射角和入射角相等的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

圖4 光的反射現(xiàn)象

表1 反射角與入射角的關(guān)系

如圖5所示，可以清晰地觀察到鏡面傾斜時的反射現(xiàn)象，證明光的反射是存在與空間范圍內(nèi)的，并且此時同樣滿足光的反射定律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

圖5 鏡面傾斜時光的反射現(xiàn)象

表2 反射角與入射角的關(guān)系

如圖6所示，兩只激光筆的光路完全重合，可以明確光路是可逆的。

圖6 光的可逆現(xiàn)象

通過實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)入射光線、折射光線均呈現(xiàn)在白色圓盤上，旋轉(zhuǎn)底座，并沒有在圓盤外發(fā)現(xiàn)光路；轉(zhuǎn)動支架，可以發(fā)現(xiàn)折射角隨入射角的增大而增大，當(dāng)入射角增大到42°00′時，折射角為90°00′，入射角再增大，折射角始終不變，為90°00′。

如圖7所示，可以看到折射光線和入射光線在同一平面內(nèi)，光線從玻璃磚射入到空氣中時，折射角大于入射角，并且入射角在一定范圍內(nèi)變化時，折射角隨著入射角的增大而增大。如圖7所示，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時，折射角不再變化保持在90°00′，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9和表3所示：

圖7 光的折射現(xiàn)象

圖8 光的全反射現(xiàn)象

圖9 入射角和折射角的關(guān)系圖

表3 入射角和折射角的大小關(guān)系

如圖10所示，5條平行的光路通過凸透鏡，匯聚于一點(diǎn)；如圖11所示，5條平行的光路通過凹透鏡，產(chǎn)生了發(fā)散現(xiàn)象。因此，凸透鏡具有會聚作用，凹透鏡具有發(fā)散作用。

圖10 凹透鏡的發(fā)散現(xiàn)象

圖11 凹透鏡的會聚現(xiàn)象

如圖12所示，光在煙室中發(fā)生散射，可以觀察到不同入射光下的反射光路，反射光線向四面八方傳播，可以明確任何漫反射的其中一個光路亦服從光的反射定律，清楚地理解漫反射也是有規(guī)律可循的，并不等同于亂反射。

圖12 光的漫反射現(xiàn)象

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教具的不足之處，利用可旋轉(zhuǎn)煙室，使光在煙室中發(fā)生散射，便于全空間、直觀化地演示光的反射、漫反射、可逆性以及凸凹透鏡的會聚與發(fā)散，并且探究光的折射和全反射定律，操作簡單、現(xiàn)象明顯、一物多用，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。有助于培養(yǎng)學(xué)生觀察、邏輯推理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力，更加符合新課改下培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的教學(xué)目標(biāo)。