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        逐步改進(jìn)探究光反射時的規(guī)律實驗

        2023-12-03 09:41:38華慶富
        中學(xué)生報 2023年46期
        關(guān)鍵詞:反射角反射光法線

        華慶富

        課本實驗再現(xiàn)

        如圖4.2-2所示,是人教版探究光反射時的規(guī)律實驗裝置。通過這個實驗,我們可以探究出反射角與入射角的大小關(guān)系,探索反射光線、入射光線、法線的位置關(guān)系。

        如圖4.2-3所示,我們可以利用平面鏡、激光筆、紙板(紙板F可繞ON翻折)等器材,探究光的反射定律。

        圖甲中,用激光筆沿AO方向入射,當(dāng)入射光線與平面鏡夾角為60°時,確定反射光線的位置??梢詼y量出入射角大小為30°、反射角的大小為30°。

        將紙板F繞ON向后折,紙板F上不會看到反射光線。這一步驟的目的是探究反射光線、入射光線、法線是否在同一平面內(nèi)。

        圖乙中,若讓另一束光線沿BO方向射向平面鏡,反射光線會沿著OA方向射出。這一現(xiàn)象說明,在反射現(xiàn)象中,光路是可逆的。

        為了得到“反射角等于入射角”這一普遍規(guī)律,接下來的操作是:多次改變?nèi)肷浣谴笮?,測量每次對應(yīng)的反射角和入射角的大小。這是因為只進(jìn)行一次實驗,根據(jù)一次測量就得出實驗結(jié)論,實驗結(jié)論不具有普遍性。

        圖丙中,保持入射光線AO不變,將平面鏡繞入射點旋轉(zhuǎn),使入射角增大20°,則反射光線偏轉(zhuǎn)的角度為40°。這是因為保持入射光線AO不變時,將平面鏡繞入射點旋轉(zhuǎn),使入射角增大10°,此時入射角為:∠AON′=30°+20°=50°,因為反射角等于入射角,所以轉(zhuǎn)動前入射光線與反射光線的夾角∠AOB=30°+ 30°=60°。轉(zhuǎn)動后20°后,此時入射角∠AON′ =50°,因為反射角等于入射角,所以轉(zhuǎn)動后入射光線與反射光線的夾角∠AOB′ =50°+ 50°=100°,則反射光線偏轉(zhuǎn)的角度:∠BOB′ =∠AOB′-∠AOB=100°- 60°=40°。

        實驗反思:當(dāng)紙板F先后轉(zhuǎn)動時,紙板B上看不到反射光線,但是因為我們并沒有看到反射光線在哪里,所以對于“反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)”的結(jié)論,還是有所懷疑。

        實驗改進(jìn)之一:將F紙板分為上下兩半

        如下圖所示,為了進(jìn)一步確定反射光線的位置,小明將紙板F沿PQ剪開,把上半部分向后折,會發(fā)現(xiàn)只在紙板F下半部分會看到反射光線,說明反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)。

        實驗反思:紙板要與平面鏡垂直放置,如果不垂直會出現(xiàn)什么情況?

        實驗改進(jìn)之二:將紙板整體傾斜放置

        如下圖所示,放置紙板時不是豎直立在平面鏡上,而是與鏡面有一傾角,則在紙板上不能看到反射光線,那么此時的反射光線在紙板前方。

        這是因為當(dāng)紙板沒有豎直立在平面鏡上,而是與鏡面有一傾角時,法線因為垂直于水平放置的平面鏡,所以不在紙板上,且入射光線與法線構(gòu)成的平面在紙板的前方,根據(jù)光的反射定律可知反射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi),故不能在紙板上看到反射光線,且此時反射光線應(yīng)在紙板前方。

        實驗拓展

        如果入射光線貼著豎直放置的紙板垂直于鏡面入射,反射光線在哪里?

        如圖一所示,讓紅、綠、藍(lán)三束不同顏色的激光射向平面鏡的同一點O,其中藍(lán)色激光垂直平面鏡入射;在白紙上用筆描繪出光路,記錄的結(jié)果如圖二所示。

        在圖二中,反射光線B的顏色是綠色,我們沒有找到藍(lán)光的反射光束,但是不能認(rèn)為:當(dāng)光垂直平面鏡入射時,不存在反射光,因為當(dāng)光垂直平面鏡入射時,入射角等于0°,反射角也等于0°,反射光線也是垂直于鏡面返回,沒有找到藍(lán)光的反射光束的原因是反射光束和入射光重合了。

        回到開始的問題,當(dāng)F紙板向前折轉(zhuǎn)時,紙板上還是可以看到反射光線,這是因為實驗中的入射光應(yīng)該是一條光線,是理想情況,而我們實際操作中選取的是一束光線,有一定的寬度,在紙板前面會有少量的反射光,所以紙板向前折轉(zhuǎn)時,還是會接收到一些光束,因此該實驗最好不要向前折轉(zhuǎn)F紙板。

        向后折轉(zhuǎn)F紙板時,紙板上看不到反射光,如果此時在F紙板折轉(zhuǎn)前的原位置能夠讓我們看到反射光,那么我們對于“反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)”的結(jié)論就會深信不疑。為了看到反射光,可以在F紙板前噴煙霧(比如在前面點燃蚊香)或者用噴壺噴水霧,利用光的漫反射,就可以在F紙板的原位置上看到反射光線了。

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