光的折射規(guī)律探究?jī)x

陳毓華

（福建省南安市僑光中學(xué)，福建 南安 362314）

光的折射定律在高考考試說(shuō)明中是二級(jí)要求，測(cè)定玻璃的折射率是考試說(shuō)明中明確要求學(xué)生要掌握的14個(gè)實(shí)驗(yàn)之一.光的折射定律在高中物理中的重要性，由此可見(jiàn)一斑.

光的折射現(xiàn)象容易觀察，實(shí)驗(yàn)容易做，但如果要學(xué)生通過(guò)探究去發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，難度不小，因?yàn)槿肷浣桥c折射角之間的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，而是入射角的正弦與折射角的正弦成正比.角度容易測(cè)量，但是其正弦值不容易計(jì)算.本儀器采用另外一種思路，通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)度直接求正弦值.使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論更直觀的展現(xiàn)，方便學(xué)生通過(guò)自主探究去總結(jié)光的折射規(guī)律.本儀器設(shè)計(jì)巧妙，成本低廉，容易制作，使用方便，適合各級(jí)各類中學(xué)使用，即可以用于教師演示，也可以讓學(xué)生利用這個(gè)儀器進(jìn)行自主探究，具有一定的推廣價(jià)值.下面就該儀器的結(jié)構(gòu)、原理以及使用方法介紹如下.

1 儀器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，儀器由底板，激光筆，盛水盒，角度盤(pán)和刻度尺等部分組成.底板由塑料板或木板制作而成，在上面刻出一條半圓形軌道槽1，用于固定激光筆，并使得激光筆可以沿著軌道槽改變?nèi)肷涔饨嵌龋肷涔饩€始終指向盛水盒圓心，通過(guò)刻在底板上的角度值，很容易讀出入射角的大小.盛水盒由半圓形玻璃缸做成，通過(guò)改變液體來(lái)改變介質(zhì)性質(zhì)，盛水盒也可以直接由半圓形玻璃磚代替.兩根刻度尺可以在直線軌道上上下移動(dòng)，并能固定在任意位置上.

2 儀器原理

圖1

本儀器是利用“單位圓法”來(lái)確定sini、sinr，計(jì)算折射率n的.如圖2所示，以入射點(diǎn)B為圓心，以一定長(zhǎng)度R為半徑畫(huà)圓，交入射光線AB于Q點(diǎn)，交折射光線BC于S點(diǎn)，過(guò)Q作MN的垂線QT，過(guò)S作MN的垂線SU.sini＝sinr＝，而B(niǎo)Q＝BS＝R.所以只要測(cè)出QT、SU的長(zhǎng)度以及單位圓的半徑，就可以求出sini和sinr.而折射率，只要用刻度尺測(cè)出QT、SU的長(zhǎng)度就可以求出n.

圖2

3 儀器制作

圖3

如圖3所示為制作好的一個(gè)樣品，底板材料為木板.盛水盒（玻璃磚）的半徑為r＝3.7cm，玻璃磚的折射率n小于水的折射率大概是，這樣為了能夠測(cè)出折射角的任意值，單位圓的最小半徑R＝5.2cm.這里，筆者采用了12cm的圓，方便測(cè)量，當(dāng)然，可以根據(jù)需要擴(kuò)大“單位圓”的半徑.

激光筆為市場(chǎng)上可以方便買(mǎi)到的玩具激光筆，其輕觸按鈕開(kāi)關(guān)要改造成自鎖開(kāi)關(guān)，在激光筆前面加一個(gè)玻璃棒，使得其變成線狀光源.這樣，激光光線才能投影在底板上，方便讀數(shù).

4 使用方法

（1）在盛水盒中裝入某種液體，比如純凈水，使得液體剛好填滿整個(gè)半圓盒.

（2）調(diào)整激光筆角度，等液體穩(wěn)定以后，打開(kāi)激光筆，使得激光從空氣射入液體，觀察入射光線與折射光線，入射角與折射角的關(guān)系.

（3）改變激光筆角度，重復(fù)步驟2.

容易得出結(jié)論：入射光線與折射光線分居法線兩側(cè)，折射角隨入射角增大而增大，但是折射角小于入射角，折射角與入射角不成正比.可進(jìn)一步研究.

（4）移動(dòng)刻度尺，測(cè)量出入射光線與圓周交點(diǎn)到法線的距離s1，折射光線與圓周交點(diǎn)到法線的距離s2.如圖4所示.

（5）改變?nèi)肷涔饩€角度，重復(fù)步驟4.

容易得出結(jié)論：s1與s2的比值是一個(gè)常數(shù).即入射角的正弦與折射角的正弦成正比.求出s1與s2的比值，就是介質(zhì)的折射率.

圖4

（6）調(diào)整激光筆角度，使得激光從液體射入空氣，觀察反射光線與折射光線.改變激光筆角度，觀察反射光線與折射光線的變化情況.容易發(fā)現(xiàn)：當(dāng)隨著入射角的增大，折射光線越來(lái)越弱，反射光線越來(lái)越強(qiáng)；當(dāng)入射角達(dá)到某個(gè)特定值以后，折射光線消失，反射光線最強(qiáng).該值可以通過(guò)角度盤(pán)讀出，即為臨界角.

本儀器經(jīng)過(guò)筆者在教學(xué)中使用，效果良好.盛水盒用半圓形玻璃磚代替，效果更好.