戴 瑞 于海波 黄行健 洪土堆

(东北师范大学物理学院,吉林 长春 130024)

光的折射和全反射演示实验改进的探究

戴 瑞 于海波 黄行健 洪土堆

(东北师范大学物理学院,吉林 长春 130024)

根据人教版八年级物理上册教科书第4章第4节光的折射演示实验,进行光的折射和全反射演示实验改进探究. 改进后的演示实验具有以下特点:通过连续调节光的入射角,观察不同频率的光发生折射、全反射的动态过程;通过改变光的入射角,观察同一频率的光发生折射、全反射现象;通过纳米喷雾仪喷雾增加空气中反射光的可视度;此演示实验还可以进行定量测量. 此演示实验在普通教室演示效果非常明显,可以从定性和定量两方面更好的帮助学生理解掌握折射定律和全反射知识.

折射;全反射;演示实验;纳米喷雾仪

1 引言

光的反射、折射是初高中几何光学的重点知识,到了高中又增加了全反射内容的学习,对于这部分知识的学习,一般情况下,教师通常会采用演示实验进行导课,再通过探究引导学生完成光的反射定律、光的折射定律和全反射的学习.演示实验是为了展示物理现象,揭示物理过程的发生、发展,引导学生进行观察、思考,并配合教学内容而由教师操作示范的实验,它是物理教学中最富有活力的部分,所以演示实验内容的设计在一节课中起着非常重要的作用.此演示实验根据人教版八年级物理上册教科书第4章第4节光的折射演示实验进行改进探究,目的是帮助学生更好地理解掌握光的折射和全反射知识.

2 实验仪器介绍

图1 激光光源

演示实验所用的实验仪器有:一个长宽高为55 cm×30 cm×40 cm的普通鱼缸、一组自改装激光光源、一个小型手持型纳米喷雾补水仪. 自改装激光光源由2个红光激光器、2个绿光激光器、2个蓝光激光器组成,外壳为航空铝材,输出电压为20 V,配有充电装置,1个总开关和6个独立开关,如图1所示. 面向激光光源,6个激光器的排列顺序从右到左为红光、绿光、蓝光、红光、绿光、蓝光. 红光激光器输出波长和输出功率为650 nm和20 mW,绿光激光器输出波长和输出功率为532 nm和20 mW,蓝光激光器输出波长和输出功率为430 nm和20 mW. 因为控制6个激光器的开关分别是独立的,所以使用起来非常方便,可以任意打开其中一个或几个激光器,互不影响,而且配有支架,可以通过连续调节支架的俯仰角来改变光的入射角,也可以在水平方向上左右旋转,改变入射光的方向,并配有充电装置,可以长期使用. 手持纳米喷雾补水仪以雾化纳米水分子形式喷出,形成雾,使用非常方便.

3 实验内容

3.1 观察不同频率的光发生折射和全反射的动态过程

激光光源水平放置,同时打开6个激光器的开关,并调整6束激光近似平行,从鱼缸的侧面入射,用纳米喷雾仪在水面上方进行喷雾,空气中的反射光看得非常清楚,如图2(a)所示.连续调节支架的俯仰角,观察激光从水中射入空气的入射角、折射光、折射角及反射光的变化. 当激光从水射入空气的入射角从小到大连续变化时,可观察到折射角变大,折射光越来越贴近水面,折射光变弱,反射光变强,并且蓝光的折射光先消失,接着绿光的折射光消失,最后红光的折射光消失,所有光都发生全反射,如图2(b)和2(c).

由上述演示实验过程可以启发学生总结发生全反射的特点: ① 发生全反射的条件是光从光密介质射入光疏介质; ② 入射角大于某一角度(临界角)时才能发生全反射现象;③ 发生全反射时折射光消失,光(能)全部被反射,反射光变强.

还可以帮助学生得出以下结论: ① 不同颜色的光发生全反射时的临界角不一样; ② 蓝光的临界角小于绿光的临界角,绿光的临界角小于红光的临界角,进而可以总结出n蓝光>n绿光>n红光这个关系式. 这部分知识的理解对后续光的色散及光电效应课程的学习非常有帮助.

(a) 6束光的折射现象

(b) 6束光的全反射现象

(c) 6束光的全反射现象的俯视图

3.2 观察同一频率的光发生折射和全反射现象

从图2中可以看到,蓝光相对于红光和绿光要弱一些,而且同时演示6束光,有时不是很好分辨,所以也可以只选择两束红光或两束绿光进行更深一步演示实验探究.可以把光源竖着放置,通过旋转激光头改变入射光的方向,让两束红光(或两束绿光)以不同的入射角入射,同时演示折射和全反射现象,如图3所示.通过对完全相同的两束红光(或两束绿光)的比较分析,可以更好的理解掌握折射定律和全反射特点.从图中可以清楚地看到发生全反射时反射光要比不发生全反射时的反射光强,而且光全部被反射,没有折射光.

(a) 红光的折射和全反射现象

(b) 绿光的折射和全反射现象

3.3 入射角、反射角和折射角的测量

用马克笔在透明塑料纸上画一个360°方位的刻度盘,如图4所示．这种刻度盘沾上水后可以直接贴在玻璃上,可以任意移动,不用时也可以随时拿下来,使用起来非常方便简洁.利用刻度盘,学生可以完成入射角、反射角和折射角的测量,折射定律(n1sinθ1=n2sinθ2)的推导,如图5所示,此定量测量过程建议只打开1个激光器更为方便.

图4

图5

4 总结

自然界的许多现象都和光的折射、全反射有关,如:彩虹的形成、海市蜃楼的形成等,而且光的反射定律和折射定律也是几何光学的基本实验定律,所以理解掌握这部分知识非常重要. 上述演示实验效果非常明显,对学生的视觉冲击很强,会给学生留下非常深的印象. 而且此演示实验内容比较丰富,可以根据需要任意选择打开1个激光器或2个激光器或多个激光器,演示光的直线传播、反射定律、折射定律、全反射等相关内容.

东北师范大学2017年度教师教育研究基金项目(131005020)； 东北师范大学哲学社会科学校内青年基金项目(青年团队)(16QT001);东北师范大学物理学院实验仪器研发项目(20150107).

2017-04-27)