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(shí)驗(yàn)的不足，在確保實(shí)驗(yàn)精度前提下利用生活中常見器材對(duì)原實(shí)驗(yàn)裝置做了進(jìn)一步改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置成本較低，實(shí)驗(yàn)原理和方法更易為學(xué)生所理解和接受，同時(shí)極大地提高該學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果和效率，能有效緩解當(dāng)前多數(shù)地區(qū)尤其是偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)實(shí)驗(yàn)器材短缺等問題。

關(guān)鍵詞：折射;折射率;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

引言

“測定玻璃的折射率”一直是高中物理學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一。該實(shí)驗(yàn)在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（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(shí)驗(yàn)位于選擇性必修1第四章“光的折射”一節(jié)實(shí)驗(yàn)部分。對(duì)比新舊教材發(fā)現(xiàn)教材均對(duì)此實(shí)驗(yàn)所用儀器及操作步驟做了詳細(xì)說明，實(shí)驗(yàn)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(xué)生基本能習(xí)得運(yùn)用插針法測定玻璃折射率的方法，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)完這部分內(nèi)容后，能“運(yùn)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(shí)質(zhì)：光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。究其原因：筆者認(rèn)為是教材實(shí)驗(yàn)未能為學(xué)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)原教材實(shí)驗(yàn)還存在如下問題：①原實(shí)驗(yàn)中采用木板插針困難，有的學(xué)生一時(shí)心急隨手拿起玻璃磚當(dāng)錘子敲打[ 2 ]，操作不慎甚至?xí)軅驌p傷玻璃磚;②原實(shí)驗(yàn)不能較為直觀地呈現(xiàn)折射光線傳播路徑，學(xué)生只是機(jī)械操作，對(duì)為何要插針存在理解認(rèn)知困難，不利于調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)熱情;③隨著入射角度增大，折射光強(qiáng)度會(huì)有所減小，觀察到的大頭針虛像也會(huì)變暗，用兩只眼睛觀察時(shí)很難判斷不同大頭針?biāo)傻南裰睾吓c否，只有在用一只眼睛觀察時(shí)方可看見大頭針重合的虛像，且入射角較小時(shí)會(huì)增大實(shí)驗(yàn)誤差。

鑒于以上分析，筆者在教材基礎(chǔ)上對(duì)原實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置成本低，實(shí)驗(yàn)操作方便，現(xiàn)象直觀明顯，能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)插針法實(shí)質(zhì)的理解。

1? 實(shí)驗(yàn)原理及方法

光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，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(duì)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(jìn)行計(jì)算求解即可。實(shí)驗(yàn)方法繼承了教材所用的插針法，其實(shí)質(zhì)為光的直線傳播原理。

2? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)所需器材準(zhǔn)備

裝置改進(jìn)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(xué)計(jì)算器，圓規(guī)等。改進(jìn)組裝完成的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

3? 實(shí)驗(yàn)操作步驟及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yuǎn)位置，將牙簽貼近紙面來回移動(dòng)至人眼看見激光照在牙簽上反射進(jìn)入人眼，把此時(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)并對(duì)每次實(shí)驗(yàn)畫出的出入射光路依次遞增編號(hào)以便進(jìn)行區(qū)分。取下玻璃磚，連接出入射點(diǎn)作為折射光路，再過入射點(diǎn)用虛線做出對(duì)應(yīng)法線后用量角器測出對(duì)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(shí)驗(yàn)主要步驟和現(xiàn)象展示如圖2：實(shí)驗(yàn)過程從左往右依次進(jìn)行。

多次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方法是切實(shí)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(shí)驗(yàn)的測量精度，這將拓寬數(shù)據(jù)的收集范圍，使實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論更具說服力。

4? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)及注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）縮短了學(xué)生實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)施效果和效率;（2）用平整泡沫板及粗細(xì)均勻的牙簽分別替代硬質(zhì)木板和大頭針，使實(shí)驗(yàn)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(shí)促進(jìn)了學(xué)生對(duì)插針法實(shí)質(zhì)的理解;（4）把A3紙及玻璃磚“固定”在泡沫板上，提高了實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性，解決了原教材實(shí)驗(yàn)中紙張及玻璃磚容易滑動(dòng)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(xiàng)：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)使插入的牙簽彼此間距較大，盡可能的減小實(shí)驗(yàn)誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉紫微，魏舜芷，陳剛.促進(jìn)學(xué)生理解的“測定玻璃折射率”教學(xué)[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(xué)生實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)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.