自制光的全反射演示儀

楊燕婷，邵溫怡，金 戈

(浙江師范大學 數理信息學院，浙江 金華 321004)

1 引 言

現階段的中學生基本上是90后，追求新潮、對新鮮事物充滿好奇. 中學物理理論知識的學習可能略顯乏味，與之相比，一個新奇的實驗往往能夠激發學生的學習興趣，由被動地接受知識轉為主動地探尋知識，不僅提高了學習效率，更重要的是激發了他們對物理世界的熱愛. 全反射現象是生活中的常見現象，也是中學物理學習的主要內容之一. 筆者設計了全反射演示儀，取材便利，操作簡單，現象明顯，頗具趣味性.

2 設計原理

當光線從光密介質(折射率n1)射向光疏介質(折射率n2，且n1>n2)時，折射角大于入射角，當入射角增大至某一數值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，通過改變光密介質折射率n1與光疏介質折射率n2的比值，即可控制全反射能否發生. 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，通過特殊設計的教具，可使這種差異形成鮮明的對比，產生有趣的現象.

如圖1所示，教具由1個亞克力容器、2塊等腰直角三棱鏡、1塊平面鏡、2支激光筆組成. 此時在容器中，對于2束入射激光而言，光密介質為玻璃(等腰直角三棱鏡的組成材料)，光疏介質為空氣，光線由光密介質射向光疏介質的入射角為45°. 為使這一過程如圖1所示發生全反射，在入射角為45°，光疏介質空氣的折射率近似為1的情況下，玻璃的折射率最小值應為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(部分反射光線未畫出). 此時在容器中，對于2束入射激光而言，光密介質為玻璃，光疏介質為水. 由光密介質射向光疏介質的入射角為45°. 為使這一過程如圖2所示不發生全反射，在入射角為45°，光疏介質水的折射率近似為1.33的情況下，玻璃的折射率最大值應為n2/sini=1.33/sin 45°≈1.881.

圖2 注水后的光路圖

通過圖1和圖2，可以清楚地看到，經過特殊設計的光路，可使發生全反射的光路和不發生全反射的光路中2條主要的出射光線顏色互換，具有較強的趣味性.

為了使圖1和圖2中的現象能夠順利產生，對于玻璃的折射率的要求是介于1.414～1.881之間. 多數玻璃的折射率在1.5～1.9之間，因此大多數玻璃制成的直角三棱鏡都能滿足本實驗的要求.

利用全反射原理，通過改變光疏介質的折射率，使全反射條件在滿足與不滿足之間轉換，進而可使2條主要的出射光線顏色互換，現象直觀，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. 演示操作簡單,具有可重復性,與課堂知識結合緊密，對全反射知識教學有一定幫助.

3 實際效果展示

未加水的實際光路如圖3所示，加水后的實際光路如圖4所示.

圖3 未加水實際光路

圖4 加水后的實際光路

理想的演示效果是只有2條出射光線，在改變光疏介質后，2條出射光線顏色互換；但實際上考慮到反射，在加水的實驗條件下出射光線不止2條，使得實驗效果欠佳. 在實際實驗中發現,另外的出射光線較弱，使得對實驗效果的影響相對較小. 進一步通過理論分析(菲涅爾反射折射公式)，也可發現其余出射光線的影響較小. 實驗中三棱鏡會被浸泡于水中，有可能損壞三棱鏡.

可考慮將本教具做成黑箱，只保留適當的入射孔和出射孔. 在學生觀察完實驗現象后，引導學生探討黑箱中可能的光路結構，既能夠鍛煉學生對知識的靈活應用能力，又能夠激發他們的好奇心、求知欲、想象力，以及對自然科學世界的熱愛. 在實際教學中，可以先使用黑箱做演示實驗，激發學生興趣；之后打開黑箱，讓學生觀察實驗中的具體光路，由此引出“全反射”的概念，開始講授新課.

自制的教具是放在水平桌面上演示的. 在實際教學中，為使所有學生都能夠觀察到該現象，需使用投影儀. 如果沒有投影儀，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合的小孔，以此來控制是否加水.

參考文獻：

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