自制光的全反射演示儀

楊燕婷，邵溫怡，金 戈

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理信息學(xué)院，浙江 金華 321004)

1 引 言

現(xiàn)階段的中學(xué)生基本上是90后，追求新潮、對(duì)新鮮事物充滿好奇. 中學(xué)物理理論知識(shí)的學(xué)習(xí)可能略顯乏味，與之相比，一個(gè)新奇的實(shí)驗(yàn)往往能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，由被動(dòng)地接受知識(shí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)地探尋知識(shí)，不僅提高了學(xué)習(xí)效率，更重要的是激發(fā)了他們對(duì)物理世界的熱愛(ài). 全反射現(xiàn)象是生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象，也是中學(xué)物理學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容之一. 筆者設(shè)計(jì)了全反射演示儀，取材便利，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，頗具趣味性.

2 設(shè)計(jì)原理

當(dāng)光線從光密介質(zhì)(折射率n1)射向光疏介質(zhì)(折射率n2，且n1>n2)時(shí)，折射角大于入射角，當(dāng)入射角增大至某一數(shù)值i=arcsin (n2/n1)，折射線消失，光線全部反射，稱全反射.

在入射角一定的情況下，通過(guò)改變光密介質(zhì)折射率n1與光疏介質(zhì)折射率n2的比值，即可控制全反射能否發(fā)生. 滿足全反射條件下的光路與不滿足全反射條件下的光路存在一定的差異，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的教具，可使這種差異形成鮮明的對(duì)比，產(chǎn)生有趣的現(xiàn)象.

如圖1所示，教具由1個(gè)亞克力容器、2塊等腰直角三棱鏡、1塊平面鏡、2支激光筆組成. 此時(shí)在容器中，對(duì)于2束入射激光而言，光密介質(zhì)為玻璃(等腰直角三棱鏡的組成材料)，光疏介質(zhì)為空氣，光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)的入射角為45°. 為使這一過(guò)程如圖1所示發(fā)生全反射，在入射角為45°，光疏介質(zhì)空氣的折射率近似為1的情況下，玻璃的折射率最小值應(yīng)為n2/sini=1/sin 45°≈1.414.

圖1 全反射演示裝置示意圖

向亞克力容器中注水，光路如圖2所示(部分反射光線未畫(huà)出). 此時(shí)在容器中，對(duì)于2束入射激光而言，光密介質(zhì)為玻璃，光疏介質(zhì)為水. 由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)的入射角為45°. 為使這一過(guò)程如圖2所示不發(fā)生全反射，在入射角為45°，光疏介質(zhì)水的折射率近似為1.33的情況下，玻璃的折射率最大值應(yīng)為n2/sini=1.33/sin 45°≈1.881.

圖2 注水后的光路圖

通過(guò)圖1和圖2，可以清楚地看到，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的光路，可使發(fā)生全反射的光路和不發(fā)生全反射的光路中2條主要的出射光線顏色互換，具有較強(qiáng)的趣味性.

為了使圖1和圖2中的現(xiàn)象能夠順利產(chǎn)生，對(duì)于玻璃的折射率的要求是介于1.414～1.881之間. 多數(shù)玻璃的折射率在1.5～1.9之間，因此大多數(shù)玻璃制成的直角三棱鏡都能滿足本實(shí)驗(yàn)的要求.

利用全反射原理，通過(guò)改變光疏介質(zhì)的折射率，使全反射條件在滿足與不滿足之間轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可使2條主要的出射光線顏色互換，現(xiàn)象直觀，具有一定的趣味性. 激光亮度高，顯示的光路十分清晰. 各器材便于組裝，體積小，攜帶方便. 演示操作簡(jiǎn)單,具有可重復(fù)性,與課堂知識(shí)結(jié)合緊密，對(duì)全反射知識(shí)教學(xué)有一定幫助.

3 實(shí)際效果展示

未加水的實(shí)際光路如圖3所示，加水后的實(shí)際光路如圖4所示.

圖3 未加水實(shí)際光路

圖4 加水后的實(shí)際光路

理想的演示效果是只有2條出射光線，在改變光疏介質(zhì)后，2條出射光線顏色互換；但實(shí)際上考慮到反射，在加水的實(shí)驗(yàn)條件下出射光線不止2條，使得實(shí)驗(yàn)效果欠佳. 在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),另外的出射光線較弱，使得對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響相對(duì)較小. 進(jìn)一步通過(guò)理論分析(菲涅爾反射折射公式)，也可發(fā)現(xiàn)其余出射光線的影響較小. 實(shí)驗(yàn)中三棱鏡會(huì)被浸泡于水中，有可能損壞三棱鏡.

可考慮將本教具做成黑箱，只保留適當(dāng)?shù)娜肷淇缀统錾淇? 在學(xué)生觀察完實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，引導(dǎo)學(xué)生探討黑箱中可能的光路結(jié)構(gòu)，既能夠鍛煉學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活應(yīng)用能力，又能夠激發(fā)他們的好奇心、求知欲、想象力，以及對(duì)自然科學(xué)世界的熱愛(ài). 在實(shí)際教學(xué)中，可以先使用黑箱做演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生興趣；之后打開(kāi)黑箱，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)中的具體光路，由此引出“全反射”的概念，開(kāi)始講授新課.

自制的教具是放在水平桌面上演示的. 在實(shí)際教學(xué)中，為使所有學(xué)生都能夠觀察到該現(xiàn)象，需使用投影儀. 如果沒(méi)有投影儀，可考慮將該裝置(包括亞克力容器、直角三棱鏡)固定在豎直平面上,在亞克力容器上增加可開(kāi)合的小孔，以此來(lái)控制是否加水.

參考文獻(xiàn)：

[1] 聶劍軍. 全反射系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備, 2013,35:7-10.

[2] 徐忠岳，曾裕，蔣富華. 幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 物理教師，2014，35(4)：34-36.

[3] 趙麗，周亞洲. 全反射現(xiàn)象的演示[J]. 物理通報(bào)，2009(12)：56-57.