浅淡对光的直线传播、光的反射及光的折射实验的改进

摘 要：实际光学教学中，光学的很多知识理论及结论都是在观察实验现象后得出的，所以光学演示实验非常重要。通过改变光源或利用丁达尔效应，可以使光的直线传播、光的反射、光的折射等实验现象清晰地展现在学生面前，从而突破光学教学难点，最终获得理想的教学效果。

关键词：激光线状光源;光的反射;光的折射

一、物理演示实验的作用

物理演示实验在物理教学中起着积极的作用，成为物理教学中不可缺少的部分。物理演示实验可以将日常生活或生产实践中不易观察到的或人们习以为常而未引起注意的物理现象突出地显现出来;将实际中表现得较为复杂的现象，在课堂演示的条件下分解出有意义的部分，并把它集中地显示出来。因此，物理演示实验深受广大师生的欢迎。

光学的基本实验定律包括：光在均匀介质中的直线传播定律，光通过两种介质分界面时的反射定律和折射定律。

二、光学演示实验存在的问题

1.效果不明显

光学演示实验，大多以普通激光笔作为光源，按照教材中的操作，在实验过程中，发现光在空气和水中传播时，光路不可见，无法完成光的直线传播、光的反射定律、光的折射定律等实验的演示，那么教师所讲的一些光学知识就会成为纸上谈兵。

2.仪器昂贵

如以He-Ne激光器作为光源，可以将一些光学实验很清楚地呈现在学生面前，但是这些仪器往往价格比较昂贵，很多学校没有这样的仪器设备。利用常见的一些材料来代替这些高端的仪器是现阶段教学中迫切需要的。

三、改进光源，实现理想的实验效果

1.自制激光线光源

材料：普通激光电筒，直径约为5mm细玻璃棒，单孔橡皮塞如图1所示。

制作方法：用锉刀将细玻璃棒锯下一小段，利用橡皮塞固定在激光手电筒前端，如图2所示。当按下激光手电筒的开关通电后，原来的激光由点光源变成线光源。改进后的激光有很多优点：（1）光束强，可见度大;（2）是红色单色光，如图3所示，上方红点是未改进的普通激光，下方是改进后的激光线光源;（3）价格便宜，制作方法简单，可用初中几何光学的所有实验。

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2.利用激光线光源完成光的反射实验

按照教材中的操作，在完成光的反射定律探究实验的过程中，最大的问题是光路不可见，当采用了这种激光线光源后会清晰地看到光的反射现象。学生会清楚地看到光在放射时，反射光线和入射光线分别位于法线的两侧，如图4所示。如果在光屏上标上角度后，就可以让学生准确地读出入射角和反射角的大小，如图5所示。同时转动显示反射光线的光屏，那么在光屏上将无法观察到反射光线，说明了光反射时，入射光线、反射光线、法线在同一平面内，如图6所示。

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3.利用激光线光源完成光在玻璃砖中的折射实验

光在玻璃砖中的折射，这个实验是比较难以完成的，当我们改用激光线光源后，由于光束强，当它进入玻璃砖后，仍然可以在玻璃砖中看到清晰的折射光线，除此之外还可以看到最终射出玻璃砖后的光线会发生一小段的平移，如图7所示。但是在做该实验时，要注意不能让激光线光源离玻璃砖过远，否则在玻璃砖中的折射光线将会变暗，不利于后排同学的观察。

光在玻璃砖中的折射现象的光路图是教学过程中的一个难点，如果没有一个能让学生直观看清楚的演示实验，对于七年级的学生来说，他们是很难做出正确的光路图的。这个改进后的演示实验，能让学生清楚地看到光在玻璃砖中的折射情况，不仅能帮助学生作出正确的光路图，也能让学生更好地理解光的折射原理。

四、利用丁达尔效应完美演示光学实验

1.丁达尔效应

当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应。实际证明：光通过悬浊液或者含有大量灰尘、雾气的空气时，也会发生丁达尔效应。

2.“制作”丁达尔现象（以下用到的光源为未经改装过的激光笔）

（1）往尺寸为60cm*20cm*30cm的带盖玻璃箱中注入适量的水（半箱）。

（2）往水中滴入少量牛奶，略显浑浊即可。（多次尝试后，认为发现水和牛奶的比例为1L：1ml左右时，现象最为明显）

（3）请一位抽烟的男士，往水箱中喷入一口烟，然后迅速将水箱盖合上。（这里实验用的烟也可以由熏香、蚊香制取：将玻璃盖打开一条缝，用手将燃着的香伸入水箱，当水箱内部有明显的烟雾时，将香抽出，并迅速将水箱盖合上。蚊香在水箱里面放置的时间不宜过长，内部氧气含量有限，恐会产生一氧化碳。多方面考虑，还是喷入一口烟，最为安全、方便、快捷。）

3.利用丁达尔效应演示光的直线传播

光的传播路线是怎样的？这是学习光学知识首先要解决的一个问题，如果我们能观察到光沿直线传播的路径，学生会很容易地总结出光在同种均匀物质中是沿直线传播的。看似一个简单的原理，但是要把这个现象呈现在学生面前并不容易，而丁达尔效应恰能帮助我们解决这个问题。利用上面已经“制作”好的玻璃箱，从水箱侧面，将光沿平行水面方向，打入水箱下半部分的水中如图8所示。从水箱侧面，将光沿平行水面方向，打入水箱上半部分的空气中，如图9所示。

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在这个实验现象的基础上，学生得出“光在同种均匀介质中是沿直线传播”这个结论就显得水到渠成了。

4.利用丁达尔效应完成光在水中的折射

在演示教材中光从空气进入水中的折射实验时，如果按照教材中的操作，学生根本无法看到光路，巧妙利用丁达尔效应就可以让学生清楚地看到这个光的折射现象。利用上面已经“制作”好的玻璃箱，在鱼缸的上方用普通的激光笔照射，学生会清楚地看到光从空气进入水中时，光线的改变情况，如图10所示。同样的，也可以从鱼缸底部用普通的激光笔照射，学生也可以清楚看到光线从水中进入空气中的现象，如图11所示。

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在以上演示实验的基础上，学生就可以自然地归纳出光的折射定律的相关内容，从而帮助他们利用光的折射规律解释自然界的一些常见现象。

5.利用丁达尔效应演示光的全反射现象

当光线从水中进入空气时，由于折射角大于入射角，当入射角达到某个值时（还未到90°），折射角就已经达到90°，这时就没有折射光，光全部都反射回水里了。这就是全反射现象。这个光的全反射实验在初中的教材中时不做要求的，但是在试题中，我们也会碰到这样的题目，题干会对光的全反射知识做一定的介绍，然后再提出相应的问题。我们做光的折射时用到的器材也完全可以完成光的全反射现象，那么我们也可以把这个实验作为一个课外扩展实验，进一步激发学生对光学学习的兴趣。完成该实验时，只要在刚才完成的光从水中进入空气的实验基础上，调整入射角，即可实现光的全反射现象，操作简单，实验效果明显，如图12所示。

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五、总结和收获

光学演示实验是帮助学生学习光学知识的重要途径，光学演示实验的效果在很大程度上决定了光学教学的效果，所以想突破光学教学的难点，教师必须加强光学实验的可视性，确保让每位同学能清楚地观察到光学现象。光学演示实验的改进不可能一蹴而就，需要教师在实验中不断发现问题，针对问题做有效的调整，从而使实验现象更清晰。将普通的点光源改为激光线状光源或者利用丁达尔效应，都是为了解决光学演示实验中光路不可见的的问题。当解决的关键问题后，也需要教师对改进后的光学演示仪器做不断的调式和改进，抓住实验中操作的关键点，确保光学演示实验的效果。

参考文献：

[1]陈熙谋.物理演示实验[M].北京：高等教育出版社，1982.

[2]陈雪.四个物理实验仪器的制作与改进[J].中国教育技术装备，2007（8）.

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