全反射系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

◆聶劍軍

新課程教材上的“全反射棱鏡”實(shí)驗(yàn)和“彎曲的有機(jī)玻璃棒能導(dǎo)光”實(shí)驗(yàn)很有意義，但要做好這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，把光路顯示出來(lái)卻不容易，原因是光在玻璃和有機(jī)玻璃中傳播時(shí)光路是不可見(jiàn)的。筆者分別設(shè)計(jì)了兩種方案，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

1 兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)束原理 激光是點(diǎn)光源，但它垂直經(jīng)過(guò)圓柱形細(xì)玻璃棒之后，由于折射就變成了線性方向垂直玻璃棒的線光源。讓激光平行于底板且使線性方向垂直底板入射，就能顯示光的路徑。如圖1所示，光垂直全反射棱鏡的斜邊入射的情景；如圖2所示，光垂直全反射棱鏡的直角邊入射的情景。

圖1 光垂直全反射棱鏡的斜邊入射的情景

圖2 光垂直全反射棱鏡的直角邊入射的情景

丁達(dá)爾原理 在“彎曲的有機(jī)玻璃棒能導(dǎo)光”實(shí)驗(yàn)中，由于橫截面是圓，上述擴(kuò)束原理無(wú)效。筆者利用膠體的丁達(dá)爾現(xiàn)象，在彎曲的有機(jī)玻璃管中注入折射率較大的膠體封裝，用高亮綠激光入射，讓學(xué)生看到了清晰的全反射光路，如圖3所示。

2 原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)

全反射的產(chǎn)生條件是本課的重點(diǎn)。但國(guó)內(nèi)過(guò)去各種版本的教材以及現(xiàn)行新課程各種版本的教材都沒(méi)有設(shè)計(jì)專門的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，都是借用引入全反射概念的半圓形玻璃磚實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。為了突出本課的重點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)生條件的演示，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)全反射產(chǎn)生條件的認(rèn)識(shí)，收到了很好的教學(xué)效果。

圖3 “彎曲的有機(jī)玻璃棒能導(dǎo)光”實(shí)驗(yàn)

制作的材料 玻璃棒（摩擦起電用的玻棒）、激光筆（帶支座）、甘油、膠頭滴管、大泡沫板、鐵架臺(tái)（附鐵夾）、一頭有螺絲的短鐵棒。

圖4

制作與使用 用鐵架臺(tái)上的鐵夾將玻璃棒傾斜向下固定；用萬(wàn)向夾將一端有螺紋的短鐵棒固定在鐵架臺(tái)上端，在短鐵棒的另一端通過(guò)螺母使大泡沫板與玻璃棒成45°豎直固定；利用萬(wàn)向支座將激光筆傾斜向上固定。打開(kāi)激光筆電源開(kāi)關(guān)，將一束激光從玻璃棒的橫截面傾斜入射，如圖4所示，觀察到泡沫板上只是玻璃棒的一端有明亮的光斑，其他地方無(wú)光，說(shuō)明光在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射。用膠頭滴管吸少許甘油，滴在玻璃棒側(cè)面的入射點(diǎn)上，立即觀察到原亮斑的上方有大面積的光出現(xiàn)，并且原亮斑的亮度有所降低，如圖5所示，說(shuō)明光泄漏了，讓學(xué)生思考是全反射的什么條件不滿足。

原理與解釋 如圖6所示，光射到玻璃棒側(cè)面時(shí)，同時(shí)滿足全反射的兩個(gè)條件：①光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)；②入射角大于臨界角，所以發(fā)生全反射。當(dāng)一滴甘油滴上時(shí)，我們知道，甘油的折射率和石英玻璃是一樣的，光由玻璃進(jìn)入甘油時(shí)方向不變，但甘油粘滯性使它形成暫時(shí)凸起，從而使光由甘油進(jìn)入空氣的入射角小于臨界角，而折射進(jìn)入空氣中，不滿足全反射的第二個(gè)條件，如圖7所示。

圖5

3 “變臉魔術(shù)”實(shí)驗(yàn)

關(guān)于全反射棱鏡，新課程各版本教材以及歷屆教材中在這塊設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)不多，這使得學(xué)生對(duì)全反射棱鏡及其應(yīng)用的認(rèn)識(shí)不夠，印象不深。為此，筆者在本課中設(shè)計(jì)了一個(gè)“變臉魔術(shù)”實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生興致盎然地觀看魔術(shù)，動(dòng)腦動(dòng)手地揭秘魔術(shù)，不知不覺(jué)地加深對(duì)全反射棱鏡的認(rèn)識(shí)。

原理 如圖8所示，透明有機(jī)玻璃制成的立方體容器，被兩塊有機(jī)玻璃沿對(duì)角線隔成兩等腰直角三角形截面的容器，平面鏡平行隔板放置。當(dāng)兩容器盛水而隔層不盛水時(shí)形成兩等腰直角形截面的棱鏡，即全反射棱鏡。如圖8所示，在觀看位置的對(duì)面貼上藍(lán)臉，側(cè)面貼上紅臉時(shí)，紅臉經(jīng)左棱鏡全反射出現(xiàn)在觀看位置的左側(cè)，藍(lán)臉經(jīng)右棱鏡全反射又經(jīng)平面鏡反射出現(xiàn)在觀看位置的右側(cè)。當(dāng)隔層間也盛水時(shí)，就不形成全反射棱鏡，藍(lán)臉經(jīng)水、有機(jī)玻璃折射后直接被看到而出現(xiàn)在左側(cè)，紅臉經(jīng)水、有機(jī)玻璃折射、經(jīng)平面鏡反射被看到而出現(xiàn)在右側(cè)，如圖9所示。這樣，觀看位置的左側(cè)由紅臉變成藍(lán)臉，右側(cè)由藍(lán)臉變成紅臉。當(dāng)隔層間的水通過(guò)下方的注射器緩慢注入時(shí)，以上變臉是個(gè)漸變過(guò)程，非常生動(dòng)有趣，具有魔術(shù)般的效果。

制作 選取3 mm厚的透明有機(jī)玻璃（太薄隔板易變形，太厚沒(méi)有必要）按如圖10、圖11所示的尺寸切割、粘合。粘合時(shí)一定要保證45°和90°角的精準(zhǔn)，否則影響實(shí)驗(yàn)效果。如圖11所示，容器底部安裝兩50 ml的一次性注射器；如圖10所示，隔層底部打兩小孔；通過(guò)軟管連接小孔與注射器。選取兩合適大小的胸牌，剛好能插入或拔出藍(lán)、紅臉為宜，把胸牌用雙面膠粘貼在觀看位置的對(duì)面和側(cè)面，制作完成。

使用 第一步：注水，在兩等腰直角形截面的容器內(nèi)注滿水；第二步：上藍(lán)臉，在觀看位置的對(duì)面胸牌中插入藍(lán)臉；第三步：上紅臉，在觀看位置的側(cè)面胸牌中插入紅臉；第四步：插卡，將一不透光的塑料卡片插入隔層之間，發(fā)現(xiàn)卡的插入，并不擋住任何圖片臉，隨后拔出卡；第五步：變臉，見(jiàn)證奇跡的時(shí)候，通過(guò)下方注射器向隔層注水，隨著隔層水位升高，變臉逐漸進(jìn)行，當(dāng)水位相平時(shí)，變臉完成。如圖12變臉前，如圖13變臉中，如圖14變臉后。

4 系列趣味實(shí)驗(yàn)

全反射是一種光的自然現(xiàn)象，我們周圍有許許多多的全反射現(xiàn)象，就看能否發(fā)現(xiàn)它。于是在課堂上開(kāi)展發(fā)現(xiàn)全反射的競(jìng)賽活動(dòng)，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織方式和教學(xué)模式。在各小組桌面均提供了6個(gè)教材上沒(méi)有的自制教具實(shí)驗(yàn)。它們是：豆子神秘消失；水中氣泡更明亮；神秘湯勺；自行車尾燈明亮；水流導(dǎo)光；塑料光纖。通過(guò)課堂競(jìng)賽活動(dòng)的開(kāi)展，學(xué)生的積極性充分地調(diào)動(dòng)起來(lái)，一些同學(xué)的成功發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)著更多同學(xué)的積極思考，越來(lái)越多的發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)出來(lái)，同學(xué)們的發(fā)現(xiàn)潛能得到了充分的釋放。

5 “海市蜃樓”實(shí)驗(yàn)

海市蜃樓是自然奇觀，可遇而不可求，在教室做海市蜃樓模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的積極性被充分調(diào)動(dòng)。筆者用水和飽和食鹽水的折射率不同而形成擴(kuò)散層模擬了自然界中的海市蜃樓。學(xué)生興致盎然地觀看蜃景，筆者適時(shí)引入：為了揭秘海市蜃樓，我們今天來(lái)學(xué)光的全反射。

制作 將8 mm厚的玻璃做成長(zhǎng)60 cm、寬30 cm、高50 cm的玻璃缸；將飽和食鹽水倒入缸內(nèi)至1/3深度，再加少許食鹽攪拌，呈略過(guò)飽和狀態(tài)；將長(zhǎng)60 cm、寬30 cm烙滿小孔的泡沫板放入缸內(nèi)，浮在食鹽水上；將略浸濕的白紙與泡沫板密貼，且與缸內(nèi)壁密貼，形成“紙缸”；利用虹吸將清水注入“紙缸”中，清水的量為1/3深度，由于泡沫板密度小于水，泡沫板逐漸上升，清水慢慢滲入；靜置、等待2～3小時(shí)（放置期間不可振動(dòng)、晃動(dòng)裝置），可看到“分層”的液面即擴(kuò)散層的形成，待達(dá)一定厚度即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；側(cè)面用燈光照射被觀察物體，如圖15所示。在物體正對(duì)的一方觀察即可看到蜃景，如圖16所示。

一般原理 飽和食鹽水的密度和折射率均比水大，當(dāng)水和飽和食鹽水“安靜”地“碰”在一起時(shí)會(huì)引起擴(kuò)散，擴(kuò)散層的密度和折射率形成梯度化，模擬了海面上空氣因溫度的梯度變化而形成空氣層的密度與折射率的梯度變化。如圖17所示，物體發(fā)出的光線在擴(kuò)散層不斷折射，入射角越來(lái)越大，以致發(fā)生全反射，并返回?cái)U(kuò)散層又不斷折射，最后進(jìn)入眼睛，眼睛認(rèn)為光是直線傳播，逆著入眼光線“找”物而看到蜃景。用激光斜向上射入食鹽水，如圖18所示，彎曲的光路印證了以上的分析。

蜃景倒正

1）問(wèn)題的提出?！昂Ｊ序讟恰睂?shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)：有的位置觀察居然看到了倒立蜃景。因?yàn)楝F(xiàn)行教材和歷屆教材，凡是涉及海面上海市蜃景的描述都是正立的，原因都說(shuō)是全反射。將這個(gè)問(wèn)題融入這堂課，一則科學(xué)探究得到了深入，二則學(xué)生的科學(xué)態(tài)度得到了培養(yǎng)——敢于質(zhì)疑。

2）倒立蜃景成因。根據(jù)前面的觀察經(jīng)驗(yàn)，又有利全班同學(xué)看到倒立蜃景的產(chǎn)生過(guò)程，筆者使用了投影儀的攝像頭代替眼睛，降低攝像頭位置，拖退物體位置，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)，屏幕上出現(xiàn)了倒立蜃景，如圖19所示。倒立蜃景如何形成？用激光筆檢驗(yàn)，調(diào)整傾角，使這條激光射入攝像頭，如圖20所示。再看擴(kuò)散層光路，問(wèn)：有沒(méi)有全反射？答：有。然后光路分析，如圖21所示。結(jié)論：因?yàn)橛腥瓷?，所以蜃景倒立?/p>

3）正立蜃景成因。那最初看到的正立蜃景是如何形成的？攝像頭回到最初位置并使物體前進(jìn)一些，屏幕出現(xiàn)最初的正立蜃景。依然用激光筆檢驗(yàn)，增大傾角，使激光射入攝像頭，如圖22所示。再看擴(kuò)散層光路，問(wèn)：有沒(méi)有全反射？答：沒(méi)有。然后光路分析如圖23所示。結(jié)論：只有折射，所以蜃景正立。

自然界的海面蜃景 海面上空氣因溫度的梯度變化而形成空氣層折射率的梯度變化，由于地球是球形的，所以層是球面的，所以，自然界的海面蜃景比食鹽水模擬實(shí)驗(yàn)更復(fù)雜一些。筆者查閱了國(guó)內(nèi)網(wǎng)站和各種版本的教科書(shū)對(duì)海市蜃樓的描述，比較一致的意見(jiàn)是教科書(shū)上的。如圖24所示，摘錄的是人教版《高中物理讀本》第三冊(cè)P207—208關(guān)于海市蜃樓的插圖與解釋。插圖中明顯看出有全反射，解釋中亦有“以致發(fā)生全反射”，但蜃景卻是正立的，筆者認(rèn)為不妥當(dāng)。但現(xiàn)實(shí)生活中看到的或報(bào)道的海面蜃景絕大多數(shù)都是正立的。反過(guò)來(lái)說(shuō)明插圖與相應(yīng)的解釋要做出修改。

到底自然界中的海面上海市蜃景有沒(méi)有倒立的。為此，筆者查閱了國(guó)外網(wǎng)站，在維基百科上有各種類型海面上海市蜃景的描述，由于觀察者的高度以及物體的距離和當(dāng)時(shí)空氣層的情形，可以構(gòu)成復(fù)雜蜃景，不但可以看到倒立蜃景，有時(shí)還會(huì)看到倒立與正立同時(shí)出現(xiàn)的奇景。