“探究光反射時的規律”的實驗探討

熊建新

摘 要：對“人教版”《探究光反射時的規律》一節中探究實驗的某些步驟的必要性從理論上進行了闡述，并對該節內容的設計進行了討論。

關鍵詞：光反射；入射光線；反射光線；法線

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）2-0064-1

《探究光反射時的規律》（“人教版”）是初中光學的一個重要實驗。

筆者一直存在兩個疑惑：一是為什么一開始要把紙板豎直地立在平面鏡上；二是有必要探究入射光線、反射光線、法線三線共面嗎？筆者以為該實驗實際上是驗證性實驗而不是探究性實驗。下面就這兩個疑惑加以分析：

為什么實驗中白紙板或光屏一定要豎直地立在平面鏡上呢？當光束沿著白紙板或光屏射到平面鏡（反射面）上時，我們在白紙板或光屏上看到的光跡實際上是一部分光在傳播過程中在白紙板或光屏表面（微觀上是凹凸不平的）發生漫反射的反射點的集合。光束沿著白紙板或光屏在傳播過程中越來越細，理想情況下，到達平面鏡的光束實際上在與白紙板或光屏平行的平面上。其實，反射光束也在與白紙板或光屏平行的平面上，只是反射光束在空氣中傳播肉眼看不見。當白紙板或光屏相對平面鏡的傾斜角度較大（大于90度）時，射到平面鏡的光束所在的平面與白紙板或光屏平行且有一定的距離，如圖1（a）。當白紙板或光屏與平面鏡垂直時，射到平面鏡的光束所在的平面與白紙板或光屏平行且距離最小，如圖1（b）。這樣，反射光束呈現在白紙板或光屏（微觀上是凹凸不平的）上的機會最大。因此，實驗中白紙板或光屏一定要豎直地立在平面鏡上。

我們知道兩條相交直線一定共面。已知兩條相交直線中的一條在某個面上，則另一條必在該面上。入射光線、反射光線是兩條相交直線，必定在同一平面上。 當白紙板或光屏垂直于平面鏡時，如果讓入射光束從白紙板或光屏上射向平面鏡，則反射光束必呈現在白紙板或光屏上。法線是過入射點（在白紙板或光屏與平面鏡的交線上）垂直于平面鏡的直線，是為了定量、方便地描述反射規律而引入的，根據立體幾何定理很容易知道法線一定在白紙板或光屏上。因此，入射光線、反射光線、法線一定共面，三線共面是無需探究的，探究三線共面違背了簡單的立體幾何定理。

解決了上述兩個疑惑，我們可以站在初學者的角度設計“探究光反射時的規律”的實驗方案。總體思路如下：首先，引導學生思考怎樣顯示入射光線、反射光線的路徑；然后，把一個平面（如：白紙板、光屏）放在平面鏡上承接入射光線、反射光線，在操作中確定這個承接平面與反射面（平面鏡）的空間位置關系，為了定量、方便地描述反射規律引入法線（在承接平面上）、入射角、反射角；最后，探究反射角和入射角的關系，多次改變入射角重復實驗，分析數據后就可以得出正確的實驗結論。

參考文獻：

[1]課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心.物理（八年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012.

（欄目編輯 鄧 磊）