“光路可逆”演示實(shí)驗(yàn)教具的理論設(shè)計(jì)研究

摘 要：光在氣體、液體、固體等均勻物質(zhì)中沿直線傳播，在不同的介質(zhì)表面上發(fā)生折射。教學(xué)中，學(xué)生需要明白光直線傳播性質(zhì)、折射規(guī)律、直觀掌握光的傳播路徑的可逆性，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。因此，文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)光的折射和光路可逆演示儀，詳細(xì)論證了其演示原理和可行性，以供教學(xué)參考和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光路;折射;光路可逆

一、 引言

光在氣體、液體、固體等均勻物質(zhì)中沿直線傳播，在不同的介質(zhì)表面上發(fā)生折射。新課程標(biāo)準(zhǔn)明確要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出光在空氣、水、玻璃等透明、均勻物質(zhì)中沿直線傳播。然而，在物理教科書(shū)滬科版中，第四章，第一節(jié)p54，圖4-4中的演示實(shí)驗(yàn)僅僅呈現(xiàn)了光在透明液體（水）中的傳播路徑和光在玻璃中的傳播路徑，卻沒(méi)有光在氣體中傳播的實(shí)驗(yàn)。另外，在光的折射現(xiàn)象中，物理教科書(shū)滬科版第四章第三節(jié)中，提到光的折射現(xiàn)象中光路可逆，也就是說(shuō)在光的折射現(xiàn)象中，從一種透明介質(zhì)A斜射入另一種透明介質(zhì)B的路徑，和從一種透明介質(zhì)B斜射入另一種透明介質(zhì)A的路徑相同（也就是說(shuō)折射角變?yōu)槿肷浣牵?/p>

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的物理規(guī)律會(huì)非常生硬和難以理解，因此，對(duì)光路可逆進(jìn)行試驗(yàn)演示和驗(yàn)證是非常必要的。當(dāng)然，一般實(shí)驗(yàn)室中具有光的直線傳播的演示實(shí)驗(yàn)裝置，但是對(duì)光的折射，僅僅以一根插入水中的木棍來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。另外，如果要證實(shí)光路的可逆性，更是難上加難，目前沒(méi)有看到教材和實(shí)驗(yàn)室中具體討論過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。因此，為了提升物理教學(xué)的課堂效果，以及為學(xué)生深刻理解光路的概念打下基礎(chǔ)，有必要開(kāi)發(fā)一組實(shí)驗(yàn)裝置，正確演示光的直線傳播、折射和光路可逆。

二、 光路可逆性實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

大量資料和初中物理教科書(shū)滬科版中，第四章，第三節(jié)中提到光的折射現(xiàn)象中光路可逆（見(jiàn)圖1，圖2和圖3，教科書(shū)截圖）卻沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

光的折射是重要的光學(xué)現(xiàn)象，是理解透鏡成像的基礎(chǔ)，同時(shí)又是解釋日常生活中許多光現(xiàn)象的基礎(chǔ)，光的折射現(xiàn)象和初步的規(guī)律是學(xué)生學(xué)習(xí)以后幾節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)。學(xué)生比較熟悉光的折射現(xiàn)象，如生活中裝滿水的玻璃杯中的勺子似乎被折斷了，學(xué)生知道現(xiàn)象卻不知道原理。光的折射現(xiàn)象學(xué)生是非常感興趣的，通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的分析，可以培養(yǎng)學(xué)生密切聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解釋一些自然現(xiàn)象的能力，更重要的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，讓學(xué)生從小崇尚科學(xué)，立志獻(xiàn)身科學(xué)。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖4是驗(yàn)證光路可逆的實(shí)驗(yàn)原理圖。實(shí)驗(yàn)由白色擋板，由兩個(gè)薄玻璃盒子、盒子中裝入不同透明介質(zhì)和激光筆組成。實(shí)驗(yàn)中，光線從一側(cè)斜射入，從另一側(cè)射出，在水槽上畫(huà)出相應(yīng)的光路。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，從前一次折射光線出射點(diǎn)，用相同的角度反向射入，可以得到正向射入和反向入射，光路一致，得到結(jié)論光路可逆。

（三）實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)折射率N=cν（ν介質(zhì)中的光速），相對(duì)折射率N21=N2N1=sinαsinβ，可以知道光在一些常見(jiàn)物體中的折射率（常溫常壓），見(jiàn)表1。

為了使演示實(shí)驗(yàn)效果較好，我們需要讓入射光線和折現(xiàn)光線之間的夾角——偏轉(zhuǎn)角較大。為此，做折射演示實(shí)驗(yàn)的兩種物質(zhì)應(yīng)該對(duì)光的折射率有較大的差異，同時(shí)需要選擇合適的入射角進(jìn)行演示，這樣才可能達(dá)到我們預(yù)想的演示效果。因此，為了取材的便利，我們選擇了水和糖水（80%）這兩種物質(zhì)作為演示材料，裝置如圖6所示。

為弄清什么情況下入射可以獲得較大的偏轉(zhuǎn)角，設(shè)入射角為α1，第一次折射角為β1，第二次折射角為β2，偏轉(zhuǎn)角為γ，由幾何關(guān)系可知γ=α1-β2。

根據(jù)偏轉(zhuǎn)角關(guān)系，可以知道隨入射角增加而增加。我們分別計(jì)算各種不同介質(zhì)，以30°、45°、60°為入射角度計(jì)算不同介質(zhì)中的折射角度。我們?nèi)∩钪谐Ｒ?jiàn)的物質(zhì)，介質(zhì)1，2，3分別為空氣、糖水（80%）、透明玻璃、透明塑料（聚苯乙烯）中的三種，計(jì)算獲得表2，3和4相關(guān)折射角數(shù)據(jù)。

由表2～4折射角數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)入射角度越大，那么偏轉(zhuǎn)角度越大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象越明顯。因此，做實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用大角度入射得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。而且，選擇介質(zhì)1、2和3分別為空氣、水和透明塑料（聚苯乙烯）在同樣入射角下獲得的偏轉(zhuǎn)角也越大，效果也越好。

（四）選取適合的角度

雖然入射角越大，偏轉(zhuǎn)角也會(huì)越大，但是不是入射角盡量大呢？顯然，不是這樣的。光通過(guò)界面時(shí)一方面折射，一方面也要反射。當(dāng)折射的光強(qiáng)衰減到入射光強(qiáng)的67.5%左右時(shí)，折射演示實(shí)驗(yàn)效果不明顯。因此，有必要知道多大的入射角可以實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)驗(yàn)效果。光在通過(guò)透明介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射，而反射率R和透射率T的關(guān)系滿足：T=1-R，要使實(shí)驗(yàn)光線損失小，那么T>67.5%，R<32.5%。設(shè)第一次入射角為α1，折射角為β1，第二次折射角為β2。

因此，兩次反射后的光線總反射率為R總=R1+R2×（1-R1），總透射率T總=1-R總。因此，可以計(jì)算不同角度下不同入射角光的透射率。考慮到相同入射角情況下，空氣、水和透明塑料介質(zhì)組合折射角最大，因此以此為例，進(jìn)行計(jì)算，具體見(jiàn)表5。

可以看出T<67.5%相應(yīng)的角度在78.4°～78.5°之間，要使T<67.5%，那么做實(shí)驗(yàn)所選取的入射角度數(shù)最大應(yīng)在78.4°，而為了使實(shí)驗(yàn)效果明顯，同時(shí)使得偏轉(zhuǎn)角超過(guò)60°，入射角角度在60°～70°為宜。

三、 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)一組光的直線傳播、光的折射和光路可逆為一體的演示實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地討論這一演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理和使用辦法，為后續(xù)具體實(shí)驗(yàn)裝置制作和教學(xué)應(yīng)用提供依據(jù)。研究表明，當(dāng)入射光線在入射角 60°～70°之間時(shí)，光通過(guò)空氣、水和透明塑料三種介質(zhì)表面兩次折射的偏轉(zhuǎn)角超過(guò)30°，光的透射率可以保持到70%左右，具有最佳的演示效果。

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作者簡(jiǎn)介：

王軍，貴州省遵義市，遵義師范學(xué)院附屬學(xué)校。