逐步改進(jìn)探究光反射時的規(guī)律實驗

華慶富

課本實驗再現(xiàn)

如圖4.2-2所示，是人教版探究光反射時的規(guī)律實驗裝置。通過這個實驗，我們可以探究出反射角與入射角的大小關(guān)系，探索反射光線、入射光線、法線的位置關(guān)系。

如圖4.2-3所示，我們可以利用平面鏡、激光筆、紙板（紙板F可繞ON翻折）等器材，探究光的反射定律。

圖甲中，用激光筆沿AO方向入射，當(dāng)入射光線與平面鏡夾角為60°時，確定反射光線的位置。可以測量出入射角大小為30°、反射角的大小為30°。

將紙板F繞ON向后折，紙板F上不會看到反射光線。這一步驟的目的是探究反射光線、入射光線、法線是否在同一平面內(nèi)。

圖乙中，若讓另一束光線沿BO方向射向平面鏡，反射光線會沿著OA方向射出。這一現(xiàn)象說明，在反射現(xiàn)象中，光路是可逆的。

為了得到“反射角等于入射角”這一普遍規(guī)律，接下來的操作是：多次改變?nèi)肷浣谴笮?，測量每次對應(yīng)的反射角和入射角的大小。這是因為只進(jìn)行一次實驗，根據(jù)一次測量就得出實驗結(jié)論，實驗結(jié)論不具有普遍性。

圖丙中，保持入射光線AO不變，將平面鏡繞入射點旋轉(zhuǎn)，使入射角增大20°，則反射光線偏轉(zhuǎn)的角度為40°。這是因為保持入射光線AO不變時，將平面鏡繞入射點旋轉(zhuǎn)，使入射角增大10°，此時入射角為：∠AON′＝30°+20°＝50°，因為反射角等于入射角，所以轉(zhuǎn)動前入射光線與反射光線的夾角∠AOB＝30°+ 30°＝60°。轉(zhuǎn)動后20°后，此時入射角∠AON′ ＝50°，因為反射角等于入射角，所以轉(zhuǎn)動后入射光線與反射光線的夾角∠AOB′ ＝50°+ 50°＝100°，則反射光線偏轉(zhuǎn)的角度：∠BOB′ ＝∠AOB′－∠AOB＝100°- 60°＝40°。

實驗反思：當(dāng)紙板F先后轉(zhuǎn)動時，紙板B上看不到反射光線，但是因為我們并沒有看到反射光線在哪里，所以對于“反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)”的結(jié)論，還是有所懷疑。

實驗改進(jìn)之一：將F紙板分為上下兩半

如下圖所示，為了進(jìn)一步確定反射光線的位置，小明將紙板F沿PQ剪開，把上半部分向后折，會發(fā)現(xiàn)只在紙板F下半部分會看到反射光線，說明反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)。

實驗反思：紙板要與平面鏡垂直放置，如果不垂直會出現(xiàn)什么情況？

實驗改進(jìn)之二：將紙板整體傾斜放置

如下圖所示，放置紙板時不是豎直立在平面鏡上，而是與鏡面有一傾角，則在紙板上不能看到反射光線，那么此時的反射光線在紙板前方。

這是因為當(dāng)紙板沒有豎直立在平面鏡上，而是與鏡面有一傾角時，法線因為垂直于水平放置的平面鏡，所以不在紙板上，且入射光線與法線構(gòu)成的平面在紙板的前方，根據(jù)光的反射定律可知反射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi)，故不能在紙板上看到反射光線，且此時反射光線應(yīng)在紙板前方。

實驗拓展

如果入射光線貼著豎直放置的紙板垂直于鏡面入射，反射光線在哪里？

如圖一所示，讓紅、綠、藍(lán)三束不同顏色的激光射向平面鏡的同一點O，其中藍(lán)色激光垂直平面鏡入射；在白紙上用筆描繪出光路，記錄的結(jié)果如圖二所示。

在圖二中，反射光線B的顏色是綠色，我們沒有找到藍(lán)光的反射光束，但是不能認(rèn)為：當(dāng)光垂直平面鏡入射時，不存在反射光，因為當(dāng)光垂直平面鏡入射時，入射角等于0°，反射角也等于0°，反射光線也是垂直于鏡面返回，沒有找到藍(lán)光的反射光束的原因是反射光束和入射光重合了。

回到開始的問題，當(dāng)F紙板向前折轉(zhuǎn)時，紙板上還是可以看到反射光線，這是因為實驗中的入射光應(yīng)該是一條光線，是理想情況，而我們實際操作中選取的是一束光線，有一定的寬度，在紙板前面會有少量的反射光，所以紙板向前折轉(zhuǎn)時，還是會接收到一些光束，因此該實驗最好不要向前折轉(zhuǎn)F紙板。

向后折轉(zhuǎn)F紙板時，紙板上看不到反射光，如果此時在F紙板折轉(zhuǎn)前的原位置能夠讓我們看到反射光，那么我們對于“反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)”的結(jié)論就會深信不疑。為了看到反射光，可以在F紙板前噴煙霧（比如在前面點燃蚊香）或者用噴壺噴水霧，利用光的漫反射，就可以在F紙板的原位置上看到反射光線了。