光的折射實驗改進

陳靈松

“光的折射”是浙教版《科學(xué)》教材[1](下文簡稱“教材”)中“對環(huán)境的察覺”中的重要實驗,在光的直線傳播、光的反射的基礎(chǔ)上，進一步認(rèn)識光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時發(fā)生的變化及規(guī)律。光模塊知識在初中階段主要有直線傳播(同種介質(zhì)中如何傳播)、反射與折射(傳播過程中遇到障礙物時會發(fā)生什么現(xiàn)象)等，使抽象的知識、規(guī)律得以清晰呈現(xiàn)，對于思維特征處于感性思維向理性思維過渡的初中生顯得尤為重要。

光的傳播特點與傳播規(guī)律的尋找，通常都是借光路的呈現(xiàn)進行研究。教材實驗器材選擇、活動內(nèi)容如圖1所示。

圖1 教材安排的活動

根據(jù)教材提供的實驗方案，涉及的器材有玻璃水槽、激光筆、玻璃磚等。從實驗要求上看，本實驗只要能夠觀察到明顯的實驗現(xiàn)象即可，不需要測出折射角和入射角的大小。從實驗操作和對應(yīng)的現(xiàn)象看，光從空氣斜射入水中時，折射光線向法線靠攏；改變?nèi)肷浣菚r，折射角隨之改變；光從空氣斜射入玻璃再射出玻璃時，情況類似。

一、教材實驗的困難與原因

(1)為了讓學(xué)生看到光的傳播路徑，需要在空氣、水中加入小顆粒物，利用丁達爾(J.Jyndall)效應(yīng)，即小顆粒的散射顯示光束。如在水面上噴些煙霧、水中滴幾滴牛奶，這些方法從理論層面上看是可行的，但是實際操作起來難度較大，而且效果也不盡人意。主要體現(xiàn)在以下兩點。

一是煙霧分布的均勻程度很難控制，煙霧的穩(wěn)定性很難維持。

二是滴入水中的牛奶數(shù)量很難掌控。少了，激光在水中的傳播路徑很難看清；多了，透光度降低，在明亮的教室中很難看到亮度較低的激光。

(2)活動中難以驗證折射光線、入射光線、法線是否在同一平面上。

(3)由于入射角、折射角沒有定量的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，單憑眼睛觀察、頭腦中模糊的記憶來判斷，比較折射角隨入射角的變化情況，難以得出較精準(zhǔn)的結(jié)論。

(4)活動中很難驗證光的折射中光路具有可逆性。

二、實驗改進方案

1.實驗器材

長方體水槽(含水)、激光筆、長方形可折疊有機塑料板(如圖2所示)。

可折疊有機塑料板的制作：先打印出由兩個量角器組合的圓形圖案，再沿中軸線裁成兩半，粘貼在有機塑料板上，在背面用透明膠帶把兩張有機塑料板粘在一起。

圖2 實驗器材

2.實驗操作及效果

(1)研究折射光線、入射光線、法線是否共面。先往水槽中加水，使水面高度與圓形圖案的水平直徑相平。再把可折疊有機塑料板豎直立在水槽中，讓激光從一側(cè)入射到水面，當(dāng)兩邊有機塑料板在同一平面上時，在另一側(cè)可清晰看到折射光線(如圖3a所示)；向后轉(zhuǎn)動另一面塑料板使兩邊有機塑料板不在同一平面上時，看不到折射光線(如圖3b所示)，再向前轉(zhuǎn)動塑料板使兩邊有機塑料板又在同一平面上時，看到折射光線。

圖3 折射光線與入射光線共面

(2)研究折射光線隨入射光線變化的定性認(rèn)識和折射角與入射角定量關(guān)系。選定某角度將光從空氣斜射入水中，讀出折射角與入射角大?。蝗缓笤龃笕肷浣?，讀出相應(yīng)的折射角大小(如圖4所示)；比較每次折射角與入射角的大小關(guān)系，歸納得出折射角小于入射角；分析入射角增大時折射角的變化情況，歸納得出折射角隨入射角增大而增大，隨入射角減小而減小。

圖4 折射角與入射角的關(guān)系

(3)研究光在折射時是否遵循光路可逆性。把水槽放在桌子邊緣，部分懸在桌外，用激光筆從下往上入射，從圖4中任選一組或多組入射角與折射角的對應(yīng)關(guān)系，沿某折射角的角度入射時，讀出相應(yīng)的折射角(如圖5所示)，發(fā)現(xiàn)折射角等于原入射角，說明光在折射時遵循光路可逆性。

圖5 光路可逆

三、改進實驗的操作注意點

(1)水槽中加水后要使水面高度與圓形圖案的水平直徑相平。

(2)在觀察實驗現(xiàn)象時視線要與水面相平且與有機塑料板垂直，否則會看到“錯位現(xiàn)象”。