“光的反射折射”實驗教學的反思*

郝詳

（保定市外國語學校 河北保定 071000）

“光的反射折射”實驗教學的反思*

郝詳

（保定市外國語學校 河北保定 071000）

對光的反射、折射實驗的實驗原理、實驗過程進行反思，發現了實驗本身的原理誤差產生的原因，從而找出減小誤差的方法以及實驗改進的方向．

光的折射 光的反射 實驗改進

教學多年來，每次做光的反射、折射實驗，都要小心翼翼地調整入射光與背板之間的角度，保證在背板上留下清晰、均勻、長短合適的“光線”．然而課間時間短，往往手忙腳亂，同時，還要給圍觀的學生解釋，這樣做的原因是便于觀察，誤差很小．時間長了，就有學生問，為什么看到的就是“光線”？誤差究竟有多小？

面對這些問題，筆者自己也開始反思：看到的“光線”究竟是什么？實驗的誤差究竟有多小？

1 傳統的實驗分析

1．1 傳統經典實驗裝置

如圖1所示，這是人教社教材選修3- 4中介紹光的全反射的實驗，教材中認為背板上的就是入射光線和折射光線．在其他教材中進行光的反射、折射實驗也用類似的裝置進行實驗，因此可以對這類裝置進行綜合分析．

圖1 教材全反射實驗

1．2 傳統實驗的分析

1．2．1 光的反射實驗

實驗中用到的背板，一般為木板或塑料板，光線不能在其中傳播，它表面粗糙，可以使平行入射的光線發生漫反射，為了便于分析，我們不妨做一個實驗的示意圖．

如圖2，在長方體ABCD- A′B′C′D′中，平面鏡在平面ABCD上，截面EE′F′F垂直底面且過線段AB和CD的中點E和F（E′E即為法線），平面BB′D′D為背板（漫反射面），入射光在平面A′EOD′上，方向與A′E平行．當光被背板“阻擋”時，本來平行的光就會發生漫反射，這些漫反射的“點”連起來，就形成了直線D′O．表現在圖上，就是平面A′EOD′和平面BB′D′D的相交線D′O，在傳統實驗中，認為此線為入射光線，∠D′OO′為入射角．

圖2 光的反射實驗示意圖

而通過觀察，實際入射方向為A′E方向，入射角為∠A′EE′．現在分析∠D′OO′和∠A′EE′之間的關系．

令平面DD′B′B與平面AA′B′B所成夾角為α角，則

β與i，α的關系圖如圖3所示．

圖3 β與i，α的關系

因此，從嚴格意義上講，這個實驗中的入射角并不是真正意義上的入射角，并且隨著α角的變化，∠D′OO′會發生相應的變化，因此，在做此實驗時必須保證α足夠小．

同理可證反射角與實際反射角也并不相等．1．2．2 光的折射實驗

光的折射實驗中，背板上所謂的入射角與實際入射角是不相等的，折射角與實際折射角是什么關系呢？可以用示意圖（圖4）進行探究．

設物體的實際折射率為n，在背板上得到的折射率為n′，則

因此，折射角與實際折射角也并不相等．由此得到的折射率與實際物體的折射率的關系是

圖4 光的折射實驗示意圖

取n＝1．5的材料進行推算，可得到如圖5所示圖像．

圖5 n＝1．5的材料n與n′關系

可見，實驗時采用的入射角不同，背板夾角不同時，計算得到的材料折射率是不同的．

結論：用傳統實驗裝置進行折射實驗是存在理論誤差的．

1．3 法線誤區

1．3．1 法線在哪

在確定入射角、反射角與折射角時，都要用到法線，法線應該與入射光線與反射光線、折射光線共面．但進行傳統實驗時，所謂的入射光線實際上是平行入射的“光線”被背板擋住從而進行漫反射的軌跡，它們來自不同的入射“光線”．如果認定的法線為OO1，則其入射光線應為過O1點且與光線AE平行的光線，反射光線和折射光線應該在背板的后方．1．3．2 法線作用

證明入射光線與折射光線共面是沒有意義的，因為兩條相交直線決定一個平面是數學中的經典結論．需要證明的是入射光線、折射光線以及法線共面，在不說明法線的前提下，證明三者共面就沒有意義了．

2 實驗的改進

2．1 實驗物質滿足的條件

要想做這類實驗，先要找到這樣的物質：

（1）光在其中沿直線傳播時，可以看到其傳播路徑；

（2）物質性能穩定，各向同性．

2．2 實驗物質的選取及實驗

在生活中，存在著這樣一類物質，當光從其中通過時，會“留下”軌跡．這類物質稱之為膠體，這種現象稱之為丁達爾現象．

其反射光路圖像如圖6所示．

圖6 用膠體做實驗的反射光路

用另外一只激光筆，使其發出的光垂直射向鏡面，則入射、反射光線重合，就可以得到法線，清楚地看到三線共面．

配合煙霧空氣膠體，可以進行折射實驗，效果良好．各位同仁不妨一試．

1 王紹符，張喜榮．對物理教學中某些實驗的質疑（上）．物理通報，2013（1）：99～101

2 人民教育出版社．物理選修3- 4（第3版）．北京：人民教育出版社，2010．48～510

*河北省教育科學研究“十二五”規劃立項課題“高中物理、生物疑難實驗的研究”的階段成果，項目編號：13040338

2014- 06- 30）