中學幾何光學演示實驗研究與設計——光的反射

安首來

本文用He-Ne激光器作為光源，主要對中學物理幾何光學演示實驗《光的反射》從演示內容，使用儀器，演示效果這些方面進行探索，歸納和總結，并附上實際拍攝的照片，希望能夠從演示實驗方面對物理教學有所幫助。

物理演示實驗的作用

物理演示實驗在物理教學中起著積極的作用，成為物理教學中不可缺少的部分。通過物理演示實驗，將日常生活或生產實踐中不易觀察到的或習以為常而未引起注意的物理現象突出的顯現出來；將實際中表現得較為復雜的現象，在課堂演示的條件下分解出有意義的部分，并把它集中的顯示出來。因此，物理演示實驗深受廣大師生的歡迎[1]。

幾何光學的基本實驗定律包括：光在均勻介質中的直線傳播定律；光通過兩種介質分界面時的反射定律和折射定律；光的獨立傳播定律和光的可逆性原理[2]。

光的反射實驗研究

使用器材：He-Ne激光器、平面鏡、雙平面鏡、漫反射鏡。

光的反射定律1）將平面鏡轉軸插入度盤孔中，垂直度盤孔，垂直0-0線；2）調整分束器，只用一條光線，并使它沿度盤半徑方向入射；3）轉動度盤，使入射光線以不同的入射角射向平面鏡讀出反射角，可以看出入射角和反射角相等（圖1、圖 2）。

平面鏡對會聚光線成實像1）調整分束器，產生聚光線，其交點為S；2）將平面鏡轉軸插入度盤孔中，會聚光線反射，得S點的像S（圖3、圖4）。

平面鏡對發散光線成虛像調整分束器，產生發散光線，投射到平面鏡上，反射后可得虛焦點S，實物成虛像（圖5、圖6）。

平面鏡轉角和出射光線轉角關系1）開啟激光器，調整分束器，只用一條光線，使它沿度盤半徑方向射到平面鏡上。記錄反射角的值θ1；2）轉動度盤，從指標線上讀出度盤轉角α，再讀出反射角θ2，可求出α和|2(θ2-θ1)|之間的關系（圖7）。

說明：對比圖8可以看出當平面鏡轉到面平行60度線即平面鏡法線與原法線夾角為30度時，反射光線之間的夾角是60度，則|2(θ2-θ1)|= α，即出射光線的轉角是平面鏡轉角的2倍[3]。

雙平面鏡成像特性1）將雙平面鏡轉軸插入度盤中；2）調整分束器，使光線投射在雙平面鏡上，當度盤轉動時，出射光線保持不動。測出β和α之間的關系。通過思索可得到出射光線不變的答案（圖9）。

說明：由于β=180°－2α，α角不變，β角也不會變，所以只要入射光線不改變，雙面鏡夾角不變，出射光線也不會改變[3]。

光的漫反射1）將漫反射鏡轉軸插入度盤孔中；2）調整分束器使產生一束光線，投射的漫反射鏡上，可觀察到漫反射現象（圖11、圖12）。

實驗總結和收獲

通過這段時間對中學物理幾何光學演示實驗（光的反射）的研究，筆者發現要演示好幾何光學，必須注意以下2點。

1）首先要解決的問題是如何使光路呈現在眼前，開始時用點光源來實現，即直接用激光照射，可是點光源只有打在屏上時才能得到集中的一點，無法呈現出光路；后來經過仔細觀察，使用擴束鏡把激光擴束成線光源，線光源要呈水平狀，然后用一白屏和激光傳輸方向平行的放置在激光的側面，則屏上就出現了清晰的光路。

2）演示幾何光學時要把使用儀器緊貼屏放置，當激光照射時光路才會呈現出來，可通過調節擴束鏡來改變光的亮度，而光線的粗細則要通過調節激光與屏的方位，即激光光路與屏之間的角度來實現。如果要拍成照片，光路一定要細，與屏亮度的對比度一定要大，但光路不可太亮，否則照片的光路太亮，有些需要看刻度的演示實驗，刻度無法看清楚。

參考文獻

[1]陳熙謀.物理演示實驗[M].北京:高等教育出版社,1982

[2]姚啟鈞.光學教程[M].北京:高等教育出版設,1989

[3]陳懷琳,邵義全.普通物理實驗指導[M].北京:北京大學出版社,1991

（作者單位：甘肅省天水市麥積區教育局電教館）