“測定玻璃的折射率”實驗的再改進

張志春 彭朝陽

摘? ?要：系統(tǒng)分析了教材“測定玻璃的折射率”實驗的不足，在確保實驗精度前提下利用生活中常見器材對原實驗裝置做了進一步改進。改進后的實驗裝置成本較低，實驗原理和方法更易為學生所理解和接受，同時極大地提高該學生實驗的實施效果和效率，能有效緩解當前多數(shù)地區(qū)尤其是偏遠農(nóng)村地區(qū)實驗器材短缺等問題。

關(guān)鍵詞：折射;折射率;實驗改進

引言

“測定玻璃的折射率”一直是高中物理學生必做實驗之一。該實驗在《普通高中物理課程標準（2017年版）》中被安排在選擇性必修1模塊;從教材看以新人教版教材為例該實驗位于選擇性必修1第四章“光的折射”一節(jié)實驗部分。對比新舊教材發(fā)現(xiàn)教材均對此實驗所用儀器及操作步驟做了詳細說明，實驗所用方法皆為插針法。而有研究指出：結(jié)合教材和教師的引導(dǎo)，學生基本能習得運用插針法測定玻璃折射率的方法，大多數(shù)學生在學完這部分內(nèi)容后，能“運用”規(guī)則，卻不能“理解”規(guī)則背后的物理概念和物理規(guī)律[ 1 ]，即未真正理解插針法的實質(zhì)：光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。究其原因：筆者認為是教材實驗未能為學生呈現(xiàn)出直觀的光的折射傳播路徑所致。

依教材方法和步驟進行實驗后發(fā)現(xiàn)原教材實驗還存在如下問題：①原實驗中采用木板插針困難，有的學生一時心急隨手拿起玻璃磚當錘子敲打[ 2 ]，操作不慎甚至會受傷或損傷玻璃磚;②原實驗不能較為直觀地呈現(xiàn)折射光線傳播路徑，學生只是機械操作，對為何要插針存在理解認知困難，不利于調(diào)動其學習熱情;③隨著入射角度增大，折射光強度會有所減小，觀察到的大頭針虛像也會變暗，用兩只眼睛觀察時很難判斷不同大頭針所成的像重合與否，只有在用一只眼睛觀察時方可看見大頭針重合的虛像，且入射角較小時會增大實驗誤差。

鑒于以上分析，筆者在教材基礎(chǔ)上對原實驗做了進一步改進，改進后的實驗裝置成本低，實驗操作方便，現(xiàn)象直觀明顯，能有效促進學生對插針法實質(zhì)的理解。

1? 實驗原理及方法

光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，叫做這種介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率[ 3 ]。根據(jù)光的折射定律sinθ1/sinθ2=n12知，要測定玻璃折射率，最直接的方法就是分別測量出入射角和光線經(jīng)過玻璃磚折射后的折射角后代入公式進行計算求解即可。實驗方法繼承了教材所用的插針法，其實質(zhì)為光的直線傳播原理。

2? 實驗裝置改進所需器材準備

裝置改進所需器材有：激光筆，方形（或半圓形）玻璃磚，方形平整泡沫板，牙簽一盒，A3紙若干，直尺，量角器，鉛筆，科學計算器，圓規(guī)等。改進組裝完成的實驗裝置如圖1。

3? 實驗操作步驟及實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

實驗操作步驟：（1）將方形泡沫板水平放于桌面，并用牙簽將A3紙固定其上;（2）把玻璃磚放于板的中間位置處再用牙簽將其固定，并用鉛筆沿玻璃磚兩平行邊緣畫出直線a、a、;（3）打開激光使光束與玻璃磚兩平行邊緣成一定角度（非直角）平行于板面透過玻璃磚發(fā)生折射，此時并不能看見激光傳播路徑，因而才需用插針法來“尋找”;（4）在玻璃磚折射光路一側(cè)離磚塊較遠位置，將牙簽貼近紙面來回移動至人眼看見激光照在牙簽上反射進入人眼，把此時牙簽垂直插入板上;用另一根牙簽在折射光路一側(cè)靠近玻璃磚位置上來回移動至激光照在其上，并稍作調(diào)整至照在第一次插入的牙簽上的激光被遮擋為止，把此時牙簽垂直插入板上，用鉛筆和直尺連接兩牙簽所在位置作為激光折射光路;（5）用同樣的方法在玻璃磚入射光線一側(cè)依次垂直板面插入兩個牙簽用來確定入射光的傳播路徑;（6）逐漸調(diào)整激光入射角度，重復(fù)以上步驟多做幾次實驗并對每次實驗畫出的出入射光路依次遞增編號以便進行區(qū)分。取下玻璃磚，連接出入射點作為折射光路，再過入射點用虛線做出對應(yīng)法線后用量角器測出對應(yīng)入射角和折射角，并做好記錄最后處理分析數(shù)據(jù)。

某次實驗主要步驟和現(xiàn)象展示如圖2：實驗過程從左往右依次進行。

多次實驗測量所得數(shù)據(jù)記錄與處理結(jié)果如表1。

由表1可知實驗測得所用玻璃的折射率為1.632，查閱資料[ 3 ]顯示玻璃的折射率一般在1.5-1.8之間。這表明改進后的實驗方法是切實可行，值得一提的是即使是在入射角很小的情況下也能確保實驗的測量精度，這將拓寬數(shù)據(jù)的收集范圍，使實驗所得結(jié)論更具說服力。

4? 實驗改進優(yōu)點及注意事項

實驗改進后具有如下優(yōu)點：（1）縮短了學生實驗所用時間，提高了實驗實施效果和效率;（2）用平整泡沫板及粗細均勻的牙簽分別替代硬質(zhì)木板和大頭針，使實驗操作更加安全、方便、快捷;（3）用平行度極好的激光作為光源，能快速直觀地用插針法尋找到其傳播所經(jīng)路徑，確定插“針”的范圍，同時促進了學生對插針法實質(zhì)的理解;（4）把A3紙及玻璃磚“固定”在泡沫板上，提高了實驗裝置和實驗操作的穩(wěn)定性，解決了原教材實驗中紙張及玻璃磚容易滑動等問題。若無平整泡沫板，也可用更為常見的廢舊紙箱上取下的紙板代替。

注意事項：實驗過程中禁止用激光直射人眼;常見激光筆的光束直徑均比大頭針或牙簽直徑大，實驗前應(yīng)稍加改造使光束直徑與牙簽相同或略小于牙簽直徑，且泡沫紙板面積應(yīng)大些，以便實驗時使插入的牙簽彼此間距較大，盡可能的減小實驗誤差。

參考文獻：

[1] 劉紫微，魏舜芷，陳剛.促進學生理解的“測定玻璃折射率”教學[J].物理教師，2019，40（12）：50-53.

[2] 吳小瑾.做好“測定玻璃的折射率”學生實驗的幾個小技巧[J].物理教師，2011，32（11）：64.

[3]? 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：45-46.