中學(xué)幾何光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)——光的反射

安首來(lái)

本文用He-Ne激光器作為光源，主要對(duì)中學(xué)物理幾何光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)《光的反射》從演示內(nèi)容，使用儀器，演示效果這些方面進(jìn)行探索，歸納和總結(jié)，并附上實(shí)際拍攝的照片，希望能夠從演示實(shí)驗(yàn)方面對(duì)物理教學(xué)有所幫助。

物理演示實(shí)驗(yàn)的作用

物理演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中起著積極的作用，成為物理教學(xué)中不可缺少的部分。通過(guò)物理演示實(shí)驗(yàn)，將日常生活或生產(chǎn)實(shí)踐中不易觀察到的或習(xí)以為常而未引起注意的物理現(xiàn)象突出的顯現(xiàn)出來(lái)；將實(shí)際中表現(xiàn)得較為復(fù)雜的現(xiàn)象，在課堂演示的條件下分解出有意義的部分，并把它集中的顯示出來(lái)。因此，物理演示實(shí)驗(yàn)深受廣大師生的歡迎[1]。

幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律包括：光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；光通過(guò)兩種介質(zhì)分界面時(shí)的反射定律和折射定律；光的獨(dú)立傳播定律和光的可逆性原理[2]。

光的反射實(shí)驗(yàn)研究

使用器材：He-Ne激光器、平面鏡、雙平面鏡、漫反射鏡。

光的反射定律1）將平面鏡轉(zhuǎn)軸插入度盤孔中，垂直度盤孔，垂直0-0線；2）調(diào)整分束器，只用一條光線，并使它沿度盤半徑方向入射；3）轉(zhuǎn)動(dòng)度盤，使入射光線以不同的入射角射向平面鏡讀出反射角，可以看出入射角和反射角相等（圖1、圖 2）。

平面鏡對(duì)會(huì)聚光線成實(shí)像1）調(diào)整分束器，產(chǎn)生聚光線，其交點(diǎn)為S；2）將平面鏡轉(zhuǎn)軸插入度盤孔中，會(huì)聚光線反射，得S點(diǎn)的像S（圖3、圖4）。

平面鏡對(duì)發(fā)散光線成虛像調(diào)整分束器，產(chǎn)生發(fā)散光線，投射到平面鏡上，反射后可得虛焦點(diǎn)S，實(shí)物成虛像（圖5、圖6）。

平面鏡轉(zhuǎn)角和出射光線轉(zhuǎn)角關(guān)系1）開啟激光器，調(diào)整分束器，只用一條光線，使它沿度盤半徑方向射到平面鏡上。記錄反射角的值θ1；2）轉(zhuǎn)動(dòng)度盤，從指標(biāo)線上讀出度盤轉(zhuǎn)角α，再讀出反射角θ2，可求出α和|2(θ2-θ1)|之間的關(guān)系（圖7）。

說(shuō)明：對(duì)比圖8可以看出當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)到面平行60度線即平面鏡法線與原法線夾角為30度時(shí)，反射光線之間的夾角是60度，則|2(θ2-θ1)|= α，即出射光線的轉(zhuǎn)角是平面鏡轉(zhuǎn)角的2倍[3]。

雙平面鏡成像特性1）將雙平面鏡轉(zhuǎn)軸插入度盤中；2）調(diào)整分束器，使光線投射在雙平面鏡上，當(dāng)度盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射光線保持不動(dòng)。測(cè)出β和α之間的關(guān)系。通過(guò)思索可得到出射光線不變的答案（圖9）。

說(shuō)明：由于β=180°－2α，α角不變，β角也不會(huì)變，所以只要入射光線不改變，雙面鏡夾角不變，出射光線也不會(huì)改變[3]。

光的漫反射1）將漫反射鏡轉(zhuǎn)軸插入度盤孔中；2）調(diào)整分束器使產(chǎn)生一束光線，投射的漫反射鏡上，可觀察到漫反射現(xiàn)象（圖11、圖12）。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)和收獲

通過(guò)這段時(shí)間對(duì)中學(xué)物理幾何光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)（光的反射）的研究，筆者發(fā)現(xiàn)要演示好幾何光學(xué)，必須注意以下2點(diǎn)。

1）首先要解決的問題是如何使光路呈現(xiàn)在眼前，開始時(shí)用點(diǎn)光源來(lái)實(shí)現(xiàn)，即直接用激光照射，可是點(diǎn)光源只有打在屏上時(shí)才能得到集中的一點(diǎn)，無(wú)法呈現(xiàn)出光路；后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，使用擴(kuò)束鏡把激光擴(kuò)束成線光源，線光源要呈水平狀，然后用一白屏和激光傳輸方向平行的放置在激光的側(cè)面，則屏上就出現(xiàn)了清晰的光路。

2）演示幾何光學(xué)時(shí)要把使用儀器緊貼屏放置，當(dāng)激光照射時(shí)光路才會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)，可通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡來(lái)改變光的亮度，而光線的粗細(xì)則要通過(guò)調(diào)節(jié)激光與屏的方位，即激光光路與屏之間的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果要拍成照片，光路一定要細(xì)，與屏亮度的對(duì)比度一定要大，但光路不可太亮，否則照片的光路太亮，有些需要看刻度的演示實(shí)驗(yàn)，刻度無(wú)法看清楚。

參考文獻(xiàn)

[1]陳熙謀.物理演示實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,1982

[2]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版設(shè),1989

[3]陳懷琳,邵義全.普通物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1991

（作者單位：甘肅省天水市麥積區(qū)教育局電教館）