多功能光的全反射演示儀

邵 貝 馮秧棟

(浙江金華第一中學 浙江 金華 321015)

1 引言

光的全反射是高中物理重要內容之一，當光從光密介質射入光疏介質時，如果入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現象叫做全反射.自制光的全反射演示儀，可用“變臉”直接觀察到光從折射到全反射的蛻變過程，同時，也可觀察到光的多次全反射路徑，以及光從全反射到折射的動態過程等.儀器演示現象明顯，操作方便，很好地滿足了課堂教學需求.

2 自制全反射演示儀

儀器用長寬高各為20 cm的透明有機玻璃制作.中間用兩塊等高的玻璃呈對稱形式隔離，距最近角為1 cm.隔離后，儀器中形成3個水槽①②③，可用于分別盛放不同折射率的液體.

實驗儀如圖1所示.

圖1 光的全反射演示儀

3 儀器使用

3.1 演示變臉魔術

如圖2所示，在儀器左側和后側玻璃板外分別貼上高度適合的綠臉和紅臉臉譜，在容器的①③水槽注入濃度適量的鹽水，②為空氣.在容器右側放置一塊大致與玻璃隔板平行的等高平面鏡.紅光和綠光經過容器中的兩塊玻璃隔板發生全反射，人在左側和右側分別能看見綠臉和紅臉.若逐漸往②水槽中加相同的鹽水，②有水部分全反射消失，其光路圖如圖3所示，在下方左側看見紅臉，下方右側看見綠臉，整張臉譜上下紅綠交替，隨著水位的升高逐漸完成變臉過程，引人入勝.其變臉實物圖如圖4和圖5所示.

圖2 變臉前紅、綠光全反射分析圖

圖3 變臉中紅、綠光折射分析圖

圖4 變臉前紅、綠光全反射實際效果圖

圖5 變臉中紅、綠光折射實際效果圖

3.2 演示全反射光路

如圖6所示，在②水槽中盛鹽水，①③兩邊為空氣，用強激光斜射入②，從光密到光疏，清楚顯示全反射的光路路徑.光持續發生全反射，能量減弱，實際效果如圖7所示.

圖6 多次全反射分析圖

圖7 多次全反射實際效果圖

3.3 演示光的全反射向折射過渡

在水槽①和水槽③中加入濃度相同的鹽水，水槽②中為空氣.光從儀器右側照射，入射角滿足條件時，發生全反射，如圖8所示.逐漸往水槽②中加入相同的鹽水，直至與光線等高處，光的全反射瞬間消失，變為折射，可清楚看到光線經過水槽②后發生平移，如圖9所示.從全反射到折射，一個清晰的動態變化過程展現眼前.

圖8 光的全反射圖

圖9 光的全反射變為光的折射

4 儀器優點

(1)多功能光的全反射演示儀，除全反射變臉外，還可演示多次全反射路徑，以及光的全反射向折射的轉變過程.另可作拓展應用，比如在3個水槽中分別加入折射率不同的液體，繼續觀察，會有新的不同發現.

(2)以“低成本多功能”為核心設計的全反射實驗，取材方便、制作簡單、實驗效果明顯.區別于以往常見的全反射實驗，將中華的傳統文化——京劇變臉融入實驗當中，通過簡單的加鹽水來實現“變臉”的光全反射過程，讓課堂教學具有豐富的趣味性和教育意義.

5 結束語

新高考改革背景下以培養學生物理學科核心素養為導向的物理課堂教學，在認識物理課堂特點基礎上，充分合理利用演示實驗激發學生學習熱情和探究興趣.光的全反射演示儀能夠充分利用儀器資源，演示實驗一氣呵成，對現象的觀察，逐漸培養學生主動探究意識，一定程度上促進其“科學思維”的形成，在課堂中落實學生核心素養.對于多功能演示儀器的設計是未來需深入探索的一點.