光的折射和全反射演示實驗改進的探究

戴 瑞 于海波 黃行健 洪土堆

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長春 130024)

光的折射和全反射演示實驗改進的探究

戴 瑞 于海波 黃行健 洪土堆

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長春 130024)

根據(jù)人教版八年級物理上冊教科書第4章第4節(jié)光的折射演示實驗,進行光的折射和全反射演示實驗改進探究. 改進后的演示實驗具有以下特點:通過連續(xù)調(diào)節(jié)光的入射角,觀察不同頻率的光發(fā)生折射、全反射的動態(tài)過程;通過改變光的入射角,觀察同一頻率的光發(fā)生折射、全反射現(xiàn)象;通過納米噴霧儀噴霧增加空氣中反射光的可視度;此演示實驗還可以進行定量測量. 此演示實驗在普通教室演示效果非常明顯,可以從定性和定量兩方面更好的幫助學(xué)生理解掌握折射定律和全反射知識.

折射;全反射;演示實驗;納米噴霧儀

1 引言

光的反射、折射是初高中幾何光學(xué)的重點知識,到了高中又增加了全反射內(nèi)容的學(xué)習(xí),對于這部分知識的學(xué)習(xí),一般情況下,教師通常會采用演示實驗進行導(dǎo)課,再通過探究引導(dǎo)學(xué)生完成光的反射定律、光的折射定律和全反射的學(xué)習(xí).演示實驗是為了展示物理現(xiàn)象,揭示物理過程的發(fā)生、發(fā)展,引導(dǎo)學(xué)生進行觀察、思考,并配合教學(xué)內(nèi)容而由教師操作示范的實驗,它是物理教學(xué)中最富有活力的部分,所以演示實驗內(nèi)容的設(shè)計在一節(jié)課中起著非常重要的作用.此演示實驗根據(jù)人教版八年級物理上冊教科書第4章第4節(jié)光的折射演示實驗進行改進探究,目的是幫助學(xué)生更好地理解掌握光的折射和全反射知識.

2 實驗儀器介紹

圖1 激光光源

演示實驗所用的實驗儀器有:一個長寬高為55 cm×30 cm×40 cm的普通魚缸、一組自改裝激光光源、一個小型手持型納米噴霧補水儀. 自改裝激光光源由2個紅光激光器、2個綠光激光器、2個藍光激光器組成,外殼為航空鋁材,輸出電壓為20 V,配有充電裝置,1個總開關(guān)和6個獨立開關(guān),如圖1所示. 面向激光光源,6個激光器的排列順序從右到左為紅光、綠光、藍光、紅光、綠光、藍光. 紅光激光器輸出波長和輸出功率為650 nm和20 mW,綠光激光器輸出波長和輸出功率為532 nm和20 mW,藍光激光器輸出波長和輸出功率為430 nm和20 mW. 因為控制6個激光器的開關(guān)分別是獨立的,所以使用起來非常方便,可以任意打開其中一個或幾個激光器,互不影響,而且配有支架,可以通過連續(xù)調(diào)節(jié)支架的俯仰角來改變光的入射角,也可以在水平方向上左右旋轉(zhuǎn),改變?nèi)肷涔獾姆较?并配有充電裝置,可以長期使用. 手持納米噴霧補水儀以霧化納米水分子形式噴出,形成霧,使用非常方便.

3 實驗內(nèi)容

3.1 觀察不同頻率的光發(fā)生折射和全反射的動態(tài)過程

激光光源水平放置,同時打開6個激光器的開關(guān),并調(diào)整6束激光近似平行,從魚缸的側(cè)面入射,用納米噴霧儀在水面上方進行噴霧,空氣中的反射光看得非常清楚,如圖2(a)所示.連續(xù)調(diào)節(jié)支架的俯仰角,觀察激光從水中射入空氣的入射角、折射光、折射角及反射光的變化. 當(dāng)激光從水射入空氣的入射角從小到大連續(xù)變化時,可觀察到折射角變大,折射光越來越貼近水面,折射光變?nèi)?反射光變強,并且藍光的折射光先消失,接著綠光的折射光消失,最后紅光的折射光消失,所有光都發(fā)生全反射,如圖2(b)和2(c).

由上述演示實驗過程可以啟發(fā)學(xué)生總結(jié)發(fā)生全反射的特點: ① 發(fā)生全反射的條件是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì); ② 入射角大于某一角度(臨界角)時才能發(fā)生全反射現(xiàn)象;③ 發(fā)生全反射時折射光消失,光(能)全部被反射,反射光變強.

還可以幫助學(xué)生得出以下結(jié)論: ① 不同顏色的光發(fā)生全反射時的臨界角不一樣; ② 藍光的臨界角小于綠光的臨界角,綠光的臨界角小于紅光的臨界角,進而可以總結(jié)出n藍光>n綠光>n紅光這個關(guān)系式. 這部分知識的理解對后續(xù)光的色散及光電效應(yīng)課程的學(xué)習(xí)非常有幫助.

(a) 6束光的折射現(xiàn)象

(b) 6束光的全反射現(xiàn)象

(c) 6束光的全反射現(xiàn)象的俯視圖

3.2 觀察同一頻率的光發(fā)生折射和全反射現(xiàn)象

從圖2中可以看到,藍光相對于紅光和綠光要弱一些,而且同時演示6束光,有時不是很好分辨,所以也可以只選擇兩束紅光或兩束綠光進行更深一步演示實驗探究.可以把光源豎著放置,通過旋轉(zhuǎn)激光頭改變?nèi)肷涔獾姆较?讓兩束紅光(或兩束綠光)以不同的入射角入射,同時演示折射和全反射現(xiàn)象,如圖3所示.通過對完全相同的兩束紅光(或兩束綠光)的比較分析,可以更好的理解掌握折射定律和全反射特點.從圖中可以清楚地看到發(fā)生全反射時反射光要比不發(fā)生全反射時的反射光強,而且光全部被反射,沒有折射光.

(a) 紅光的折射和全反射現(xiàn)象

(b) 綠光的折射和全反射現(xiàn)象

3.3 入射角、反射角和折射角的測量

用馬克筆在透明塑料紙上畫一個360°方位的刻度盤,如圖4所示．這種刻度盤沾上水后可以直接貼在玻璃上,可以任意移動,不用時也可以隨時拿下來,使用起來非常方便簡潔.利用刻度盤,學(xué)生可以完成入射角、反射角和折射角的測量,折射定律(n1sinθ1=n2sinθ2)的推導(dǎo),如圖5所示,此定量測量過程建議只打開1個激光器更為方便.

圖4

圖5

4 總結(jié)

自然界的許多現(xiàn)象都和光的折射、全反射有關(guān),如:彩虹的形成、海市蜃樓的形成等,而且光的反射定律和折射定律也是幾何光學(xué)的基本實驗定律,所以理解掌握這部分知識非常重要. 上述演示實驗效果非常明顯,對學(xué)生的視覺沖擊很強,會給學(xué)生留下非常深的印象. 而且此演示實驗內(nèi)容比較豐富,可以根據(jù)需要任意選擇打開1個激光器或2個激光器或多個激光器,演示光的直線傳播、反射定律、折射定律、全反射等相關(guān)內(nèi)容.

東北師范大學(xué)2017年度教師教育研究基金項目(131005020)； 東北師范大學(xué)哲學(xué)社會科學(xué)校內(nèi)青年基金項目(青年團隊)(16QT001);東北師范大學(xué)物理學(xué)院實驗儀器研發(fā)項目(20150107).

2017-04-27)