多功能光的全反射演示儀

邵 貝 馮秧棟

(浙江金華第一中學 浙江 金華 321015)

1 引言

光的全反射是高中物理重要內(nèi)容之一，當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，如果入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射.自制光的全反射演示儀，可用“變臉”直接觀察到光從折射到全反射的蛻變過程，同時，也可觀察到光的多次全反射路徑，以及光從全反射到折射的動態(tài)過程等.儀器演示現(xiàn)象明顯，操作方便，很好地滿足了課堂教學需求.

2 自制全反射演示儀

儀器用長寬高各為20 cm的透明有機玻璃制作.中間用兩塊等高的玻璃呈對稱形式隔離，距最近角為1 cm.隔離后，儀器中形成3個水槽①②③，可用于分別盛放不同折射率的液體.

實驗儀如圖1所示.

圖1 光的全反射演示儀

3 儀器使用

3.1 演示變臉魔術

如圖2所示，在儀器左側(cè)和后側(cè)玻璃板外分別貼上高度適合的綠臉和紅臉臉譜，在容器的①③水槽注入濃度適量的鹽水，②為空氣.在容器右側(cè)放置一塊大致與玻璃隔板平行的等高平面鏡.紅光和綠光經(jīng)過容器中的兩塊玻璃隔板發(fā)生全反射，人在左側(cè)和右側(cè)分別能看見綠臉和紅臉.若逐漸往②水槽中加相同的鹽水，②有水部分全反射消失，其光路圖如圖3所示，在下方左側(cè)看見紅臉，下方右側(cè)看見綠臉，整張臉譜上下紅綠交替，隨著水位的升高逐漸完成變臉過程，引人入勝.其變臉實物圖如圖4和圖5所示.

圖2 變臉前紅、綠光全反射分析圖

圖3 變臉中紅、綠光折射分析圖

圖4 變臉前紅、綠光全反射實際效果圖

圖5 變臉中紅、綠光折射實際效果圖

3.2 演示全反射光路

如圖6所示，在②水槽中盛鹽水，①③兩邊為空氣，用強激光斜射入②，從光密到光疏，清楚顯示全反射的光路路徑.光持續(xù)發(fā)生全反射，能量減弱，實際效果如圖7所示.

圖6 多次全反射分析圖

圖7 多次全反射實際效果圖

3.3 演示光的全反射向折射過渡

在水槽①和水槽③中加入濃度相同的鹽水，水槽②中為空氣.光從儀器右側(cè)照射，入射角滿足條件時，發(fā)生全反射，如圖8所示.逐漸往水槽②中加入相同的鹽水，直至與光線等高處，光的全反射瞬間消失，變?yōu)檎凵?，可清楚看到光線經(jīng)過水槽②后發(fā)生平移，如圖9所示.從全反射到折射，一個清晰的動態(tài)變化過程展現(xiàn)眼前.

圖8 光的全反射圖

圖9 光的全反射變?yōu)楣獾恼凵?/p>

4 儀器優(yōu)點

(1)多功能光的全反射演示儀，除全反射變臉外，還可演示多次全反射路徑，以及光的全反射向折射的轉(zhuǎn)變過程.另可作拓展應用，比如在3個水槽中分別加入折射率不同的液體，繼續(xù)觀察，會有新的不同發(fā)現(xiàn).

(2)以“低成本多功能”為核心設計的全反射實驗，取材方便、制作簡單、實驗效果明顯.區(qū)別于以往常見的全反射實驗，將中華的傳統(tǒng)文化——京劇變臉融入實驗當中，通過簡單的加鹽水來實現(xiàn)“變臉”的光全反射過程，讓課堂教學具有豐富的趣味性和教育意義.

5 結(jié)束語

新高考改革背景下以培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)為導向的物理課堂教學，在認識物理課堂特點基礎上，充分合理利用演示實驗激發(fā)學生學習熱情和探究興趣.光的全反射演示儀能夠充分利用儀器資源，演示實驗一氣呵成，對現(xiàn)象的觀察，逐漸培養(yǎng)學生主動探究意識，一定程度上促進其“科學思維”的形成，在課堂中落實學生核心素養(yǎng).對于多功能演示儀器的設計是未來需深入探索的一點.