“光的反射折射”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思*

郝詳

（保定市外國語學(xué)校 河北保定 071000）

“光的反射折射”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思*

郝詳

（保定市外國語學(xué)校 河北保定 071000）

對光的反射、折射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)本身的原理誤差產(chǎn)生的原因，從而找出減小誤差的方法以及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方向．

光的折射 光的反射 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

教學(xué)多年來，每次做光的反射、折射實(shí)驗(yàn)，都要小心翼翼地調(diào)整入射光與背板之間的角度，保證在背板上留下清晰、均勻、長短合適的“光線”．然而課間時間短，往往手忙腳亂，同時，還要給圍觀的學(xué)生解釋，這樣做的原因是便于觀察，誤差很?。畷r間長了，就有學(xué)生問，為什么看到的就是“光線”？誤差究竟有多?。?/p>

面對這些問題，筆者自己也開始反思：看到的“光線”究竟是什么？實(shí)驗(yàn)的誤差究竟有多??？

1 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析

1．1 傳統(tǒng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，這是人教社教材選修3- 4中介紹光的全反射的實(shí)驗(yàn)，教材中認(rèn)為背板上的就是入射光線和折射光線．在其他教材中進(jìn)行光的反射、折射實(shí)驗(yàn)也用類似的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此可以對這類裝置進(jìn)行綜合分析．

圖1 教材全反射實(shí)驗(yàn)

1．2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的分析

1．2．1 光的反射實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中用到的背板，一般為木板或塑料板，光線不能在其中傳播，它表面粗糙，可以使平行入射的光線發(fā)生漫反射，為了便于分析，我們不妨做一個實(shí)驗(yàn)的示意圖．

如圖2，在長方體ABCD- A′B′C′D′中，平面鏡在平面ABCD上，截面EE′F′F垂直底面且過線段AB和CD的中點(diǎn)E和F（E′E即為法線），平面BB′D′D為背板（漫反射面），入射光在平面A′EOD′上，方向與A′E平行．當(dāng)光被背板“阻擋”時，本來平行的光就會發(fā)生漫反射，這些漫反射的“點(diǎn)”連起來，就形成了直線D′O．表現(xiàn)在圖上，就是平面A′EOD′和平面BB′D′D的相交線D′O，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為此線為入射光線，∠D′OO′為入射角．

圖2 光的反射實(shí)驗(yàn)示意圖

而通過觀察，實(shí)際入射方向?yàn)锳′E方向，入射角為∠A′EE′．現(xiàn)在分析∠D′OO′和∠A′EE′之間的關(guān)系．

令平面DD′B′B與平面AA′B′B所成夾角為α角，則

β與i，α的關(guān)系圖如圖3所示．

圖3 β與i，α的關(guān)系

因此，從嚴(yán)格意義上講，這個實(shí)驗(yàn)中的入射角并不是真正意義上的入射角，并且隨著α角的變化，∠D′OO′會發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，在做此實(shí)驗(yàn)時必須保證α足夠?。?/p>

同理可證反射角與實(shí)際反射角也并不相等．1．2．2 光的折射實(shí)驗(yàn)

光的折射實(shí)驗(yàn)中，背板上所謂的入射角與實(shí)際入射角是不相等的，折射角與實(shí)際折射角是什么關(guān)系呢？可以用示意圖（圖4）進(jìn)行探究．

設(shè)物體的實(shí)際折射率為n，在背板上得到的折射率為n′，則

因此，折射角與實(shí)際折射角也并不相等．由此得到的折射率與實(shí)際物體的折射率的關(guān)系是

圖4 光的折射實(shí)驗(yàn)示意圖

取n＝1．5的材料進(jìn)行推算，可得到如圖5所示圖像．

圖5 n＝1．5的材料n與n′關(guān)系

可見，實(shí)驗(yàn)時采用的入射角不同，背板夾角不同時，計(jì)算得到的材料折射率是不同的．

結(jié)論：用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行折射實(shí)驗(yàn)是存在理論誤差的．

1．3 法線誤區(qū)

1．3．1 法線在哪

在確定入射角、反射角與折射角時，都要用到法線，法線應(yīng)該與入射光線與反射光線、折射光線共面．但進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時，所謂的入射光線實(shí)際上是平行入射的“光線”被背板擋住從而進(jìn)行漫反射的軌跡，它們來自不同的入射“光線”．如果認(rèn)定的法線為OO1，則其入射光線應(yīng)為過O1點(diǎn)且與光線AE平行的光線，反射光線和折射光線應(yīng)該在背板的后方．1．3．2 法線作用

證明入射光線與折射光線共面是沒有意義的，因?yàn)閮蓷l相交直線決定一個平面是數(shù)學(xué)中的經(jīng)典結(jié)論．需要證明的是入射光線、折射光線以及法線共面，在不說明法線的前提下，證明三者共面就沒有意義了．

2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2．1 實(shí)驗(yàn)物質(zhì)滿足的條件

要想做這類實(shí)驗(yàn)，先要找到這樣的物質(zhì)：

（1）光在其中沿直線傳播時，可以看到其傳播路徑；

（2）物質(zhì)性能穩(wěn)定，各向同性．

2．2 實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的選取及實(shí)驗(yàn)

在生活中，存在著這樣一類物質(zhì)，當(dāng)光從其中通過時，會“留下”軌跡．這類物質(zhì)稱之為膠體，這種現(xiàn)象稱之為丁達(dá)爾現(xiàn)象．

其反射光路圖像如圖6所示．

圖6 用膠體做實(shí)驗(yàn)的反射光路

用另外一只激光筆，使其發(fā)出的光垂直射向鏡面，則入射、反射光線重合，就可以得到法線，清楚地看到三線共面．

配合煙霧空氣膠體，可以進(jìn)行折射實(shí)驗(yàn)，效果良好．各位同仁不妨一試．

1 王紹符，張喜榮．對物理教學(xué)中某些實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑（上）．物理通報(bào)，2013（1）：99～101

2 人民教育出版社．物理選修3- 4（第3版）．北京：人民教育出版社，2010．48～510

*河北省教育科學(xué)研究“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“高中物理、生物疑難實(shí)驗(yàn)的研究”的階段成果，項(xiàng)目編號：13040338

2014- 06- 30）