用水槽觀察“光的折射”及“海市蜃樓”現象

趙躍文

（衢州市衢江區杜澤中學，浙江 衢州 324017）

1 實驗背景

高中物理教科書中把“光的折射”現象定義為：當光從一種介質傳遞到另一種介質中時，光的傳播方向發生變化.在生活或者物理實驗室中，學生經常能觀察到的折射現象也往往是光從一種介質傳遞到另一種介質時傳播方向的改變，如從空氣射入水中或從空氣射入玻璃中等.事實上，即使是在同一種介質中，當介質的密度發生改變時也會發生折射現象.本實驗，不僅能夠觀察光在兩種介質界面上的折射現象，還能觀察由于密度變化時光線發生的折射現象從而進一步模擬“海市蜃樓”現象.

2 實驗器材準備

透明水槽1個、激光筆1支、煤油、食鹽、輸液瓶及導管1套、升降臺.

3 實驗方法

3.1 觀察光在不同介質界面上的折射

圖1

不相容的液體介質（如水和煤油）在同一容器中會自然分層（如圖1），當使用激光筆等光線從各個方向射入，便可以看到空氣和水的界面、水和煤油的界面上發生折射現象.

反思：生活中，學生易于觀察到光線從空氣射入介質或介質射入空氣的折射現象，但光在兩種非空氣界面上的折射現象并不易于觀察.此實驗使用激光筆作為光源，可以讓光路可視化，不僅能觀察到空氣與水界面上的折射現象，還可以觀察到水與煤油界面上的折射現象.

3.2 觀察光在密度不同的同一介質中的折射現象

如圖2所示，在透明水箱中注入純水，在水的底部注入飽和食鹽水.為了防止混合，應使用輸液瓶及輸液導管，從水槽底部緩慢注入飽和食鹽水.制成后，用激光筆從不同方向射入便可觀察到同一介質中密度變化時光的折射現象.當然，也可以現在水下注入相當于飽和食鹽水一半濃度的食鹽水，在其下面再注入飽和食鹽水，將全部水分為3段.利用激光筆從不用角度入射光線，可觀察到形成弓形的光線.隨著入射角的變化，有時在表面會出現全反射現象，光線將不能射出表面.此時可以告知學生這就是光纖的基本原理.

圖2

反思：實驗成功的關鍵是制造分層明顯的不同濃度的食鹽水，要求在水槽底部注入食鹽水時應盡量緩慢一些.若想得到密度漸變的溶液，可用玻璃棒在邊界附近輕輕攪動，幫助其擴散，這樣就可以看到彎曲狀的光線.這里可以適時的糾正學生認為光都是沿直線傳播的錯誤認識，強調光沿直線傳播是要有一定的條件的.

3.3 觀察“海市蜃樓”現象

圖3

反思：“海市蜃樓”現象是非常吸引學生的一個光學現象，但是大多數學生只能在電視或者網絡上了解到這一現象.教師可以先讓學生觀看“海市蜃樓”的圖片或影像資料再演示這個實驗，加強學生利用物理學知識解釋物理現象的能力的同時還可以激發學生的學習興趣.