光的折射和全反射演示實驗改進的探究

戴 瑞 于海波 黃行健 洪土堆

(東北師范大學物理學院,吉林 長春 130024)

光的折射和全反射演示實驗改進的探究

戴 瑞 于海波 黃行健 洪土堆

(東北師范大學物理學院,吉林 長春 130024)

根據人教版八年級物理上冊教科書第4章第4節光的折射演示實驗,進行光的折射和全反射演示實驗改進探究. 改進后的演示實驗具有以下特點:通過連續調節光的入射角,觀察不同頻率的光發生折射、全反射的動態過程;通過改變光的入射角,觀察同一頻率的光發生折射、全反射現象;通過納米噴霧儀噴霧增加空氣中反射光的可視度;此演示實驗還可以進行定量測量. 此演示實驗在普通教室演示效果非常明顯,可以從定性和定量兩方面更好的幫助學生理解掌握折射定律和全反射知識.

折射;全反射;演示實驗;納米噴霧儀

1 引言

光的反射、折射是初高中幾何光學的重點知識,到了高中又增加了全反射內容的學習,對于這部分知識的學習,一般情況下,教師通常會采用演示實驗進行導課,再通過探究引導學生完成光的反射定律、光的折射定律和全反射的學習.演示實驗是為了展示物理現象,揭示物理過程的發生、發展,引導學生進行觀察、思考,并配合教學內容而由教師操作示范的實驗,它是物理教學中最富有活力的部分,所以演示實驗內容的設計在一節課中起著非常重要的作用.此演示實驗根據人教版八年級物理上冊教科書第4章第4節光的折射演示實驗進行改進探究,目的是幫助學生更好地理解掌握光的折射和全反射知識.

2 實驗儀器介紹

圖1 激光光源

演示實驗所用的實驗儀器有:一個長寬高為55 cm×30 cm×40 cm的普通魚缸、一組自改裝激光光源、一個小型手持型納米噴霧補水儀. 自改裝激光光源由2個紅光激光器、2個綠光激光器、2個藍光激光器組成,外殼為航空鋁材,輸出電壓為20 V,配有充電裝置,1個總開關和6個獨立開關,如圖1所示. 面向激光光源,6個激光器的排列順序從右到左為紅光、綠光、藍光、紅光、綠光、藍光. 紅光激光器輸出波長和輸出功率為650 nm和20 mW,綠光激光器輸出波長和輸出功率為532 nm和20 mW,藍光激光器輸出波長和輸出功率為430 nm和20 mW. 因為控制6個激光器的開關分別是獨立的,所以使用起來非常方便,可以任意打開其中一個或幾個激光器,互不影響,而且配有支架,可以通過連續調節支架的俯仰角來改變光的入射角,也可以在水平方向上左右旋轉,改變入射光的方向,并配有充電裝置,可以長期使用. 手持納米噴霧補水儀以霧化納米水分子形式噴出,形成霧,使用非常方便.

3 實驗內容

3.1 觀察不同頻率的光發生折射和全反射的動態過程

激光光源水平放置,同時打開6個激光器的開關,并調整6束激光近似平行,從魚缸的側面入射,用納米噴霧儀在水面上方進行噴霧,空氣中的反射光看得非常清楚,如圖2(a)所示.連續調節支架的俯仰角,觀察激光從水中射入空氣的入射角、折射光、折射角及反射光的變化. 當激光從水射入空氣的入射角從小到大連續變化時,可觀察到折射角變大,折射光越來越貼近水面,折射光變弱,反射光變強,并且藍光的折射光先消失,接著綠光的折射光消失,最后紅光的折射光消失,所有光都發生全反射,如圖2(b)和2(c).

由上述演示實驗過程可以啟發學生總結發生全反射的特點: ① 發生全反射的條件是光從光密介質射入光疏介質; ② 入射角大于某一角度(臨界角)時才能發生全反射現象;③ 發生全反射時折射光消失,光(能)全部被反射,反射光變強.

還可以幫助學生得出以下結論: ① 不同顏色的光發生全反射時的臨界角不一樣; ② 藍光的臨界角小于綠光的臨界角,綠光的臨界角小于紅光的臨界角,進而可以總結出n藍光>n綠光>n紅光這個關系式. 這部分知識的理解對后續光的色散及光電效應課程的學習非常有幫助.

(a) 6束光的折射現象

(b) 6束光的全反射現象

(c) 6束光的全反射現象的俯視圖

3.2 觀察同一頻率的光發生折射和全反射現象

從圖2中可以看到,藍光相對于紅光和綠光要弱一些,而且同時演示6束光,有時不是很好分辨,所以也可以只選擇兩束紅光或兩束綠光進行更深一步演示實驗探究.可以把光源豎著放置,通過旋轉激光頭改變入射光的方向,讓兩束紅光(或兩束綠光)以不同的入射角入射,同時演示折射和全反射現象,如圖3所示.通過對完全相同的兩束紅光(或兩束綠光)的比較分析,可以更好的理解掌握折射定律和全反射特點.從圖中可以清楚地看到發生全反射時反射光要比不發生全反射時的反射光強,而且光全部被反射,沒有折射光.

(a) 紅光的折射和全反射現象

(b) 綠光的折射和全反射現象

3.3 入射角、反射角和折射角的測量

用馬克筆在透明塑料紙上畫一個360°方位的刻度盤,如圖4所示．這種刻度盤沾上水后可以直接貼在玻璃上,可以任意移動,不用時也可以隨時拿下來,使用起來非常方便簡潔.利用刻度盤,學生可以完成入射角、反射角和折射角的測量,折射定律(n1sinθ1=n2sinθ2)的推導,如圖5所示,此定量測量過程建議只打開1個激光器更為方便.

圖4

圖5

4 總結

自然界的許多現象都和光的折射、全反射有關,如:彩虹的形成、海市蜃樓的形成等,而且光的反射定律和折射定律也是幾何光學的基本實驗定律,所以理解掌握這部分知識非常重要. 上述演示實驗效果非常明顯,對學生的視覺沖擊很強,會給學生留下非常深的印象. 而且此演示實驗內容比較豐富,可以根據需要任意選擇打開1個激光器或2個激光器或多個激光器,演示光的直線傳播、反射定律、折射定律、全反射等相關內容.

東北師范大學2017年度教師教育研究基金項目(131005020)； 東北師范大學哲學社會科學校內青年基金項目(青年團隊)(16QT001);東北師范大學物理學院實驗儀器研發項目(20150107).

2017-04-27)