光在不均匀糖水中沿曲线传播的实验改进

赵鑫

摘要：光在不均匀糖水中沿曲线传播的实验能否成功、实验现象是否明显的关键是利用浓糖水和清水配置浓度渐变的分层区域。此实验难就难在配置浓度合适且渐变的分层溶液。经过大量的实验探索出一种实验方法使此实验简单易操作且实验现象明显。

关键词：不均匀糖水、浓度渐变、光的传播

在“光源 光的直线传播”教学中，学生通过大量实验和生活经验已经得到一个初步结论：光在同种介质中沿直线传播。光在同种介质中一定沿直线传播吗？为了说明光沿直线传播的条件是在同种均匀介质中，教师通常会配置浓度不均匀的溶液，显示光在同种不均匀介质中不沿直线传播的现象。

一、传统配置方法的优劣

配置浓度渐变溶液的常见方法有两种，都有各自的优缺点。

最常见的方法是先在透明水槽中倒入适量的浓糖水，然后沿容器壁缓慢倒入清水，当两种溶液混合在一起后静置一段时间，使之形成浓度渐变的分层区域，再用激光笔照射进行实验。但是这种方法很难控制倒入清水的流速，倒入清水时容易形成对流使两种溶液混合在一起，不容易形成上下浓度渐变的分层区域。教科版物理八年级上册教师用书中给我们提供了一种改进方法。将接近饱和的糖水注入水槽中，铺一层薄膜在糖水上，用滴管将清水滴在薄膜上，最后用镊子轻轻将薄膜取出。在糖水上铺一层薄膜，这样注入清水時就不会形成对流，同时用滴管注入清水，进一步减小了冲击力，最后再将薄膜取出使糖水和清水互相融合，形成浓度渐变的分层溶液。这种方法操作得当的话实验现象还是比较明显，但操作上有一些难度。一是注入清水时很难控制流速若直接倒入可能会冲破薄膜使之与糖水混合，用滴管缓慢注入又费时费力。二是实际操作时将薄膜取出时难度较大，力度太小薄膜不容易被扯出来，力度稍大容易形成对流导致糖水和上层的清水混合在一起。

还有一种方案是先在水箱中注入适量的清水，然后将白糖均匀的洒在水面上，白糖会自然沉底，不能搅拌，静置30小时左右就可以观察实验现象了。这种方法的优点是操作简单，但缺点也很明显，一是准备时间太长，二是因为白糖都是自然下沉到水底，经过较长的一段时间后在容器底部就形成的白糖的饱和溶液，所以只能在接近容器底部的位置看到实验现象，实验现象不是很明显也不方便观察。

二、实验器材

大功率激光笔、透明水箱（为了节约材料且使实验现象更明显，宜使用长宽高比例为4：1：3的透明水箱）、白砂糖、清水、大量杯、漏斗、铁架台、搅拌棒、烧杯。

三、实验方案

向水箱注入5L清水，通过铁架台将漏斗固定在水箱的正上方，漏斗的下端管口应刚好接触水箱底部，上端应高出水箱的上沿，方便操作。按照水、糖体积比3：2兑制浓糖水，先向量杯中注入3L清水，然后用烧杯量取2L白糖倒入量杯中，搅拌至糖充分溶解。通过漏斗将糖水缓慢的注入水箱的底部，注意漏斗中的糖水不能断流。注入糖水后静置几分钟使糖水溶液静止。打开激光，对准糖水和清水的交界处，观察实验现象。如下图所示，可以很明显的看到光在不均匀的糖水中沿曲线传播。

将糖水搅拌均匀，打开激光，可以观察到光沿直线传播。再次证明光沿直线传播的条件是同种均匀介质。

四、实验说明

1.糖水的浓度。因为要配置糖水和清水的分层溶液，体现同种不均匀介质，所以我查阅了大量的资料发现基本上都认为糖水的浓度越高越好，使用的都是接近饱和的糖水溶液。但是我在实际操作时发现一个问题，按照我的实验方案在水箱的底部注入接近饱和的浓糖水后浓糖水和清水之间形成了一个很明显的分界面，短时间内不会形成浓度渐变的分层区域，这时用激光对准糖水和清水的交界处，看到的光不是沿曲线传播而是发生了反射。所以糖水的浓度不是越高越好，太浓了短时间内就不容易形成浓度渐变的分层溶液，反而像是两种泾渭分明的不同溶液，学生也容易产生这到底是同种不均匀介质还是根本就是两种不同的介质的疑问。为了解决这个问题我用不同浓度的糖水进行了多次实验，我用的是烧杯来量取糖和水，发现水和糖的体积比为3：2时实验效果较好，因为用漏斗向水箱底部注入糖水需要一段时间，这段时间就可以让糖水和清水的交界处形成浓度渐变的分层溶液了，所以注入糖水后马上就能用激光笔看到光在糖水和清水的交界处附近沿曲线传播的现象了。

2.漏斗中的糖水不能断流。向漏斗中倒入糖水时注意不能让糖水断流，如果漏斗里的糖水漏完之后再倒入糖水漏斗中就会混入一段空气，空气注入水箱底部后就会形成大量气泡在水中上升，上升的气泡会将糖水和清水搅动到一起，不容易形成浓度渐变的分层溶液，影响实验效果。

参考文献

[1]贾振明. 光在不均匀介质中传播时发生弯曲的实验[J]. 中小学实验与装备，2009（6）：5-7.

[2]王浩. 光在不均匀介质中弯曲传播的实验改进[J]. 物理教师，2016，37（12）：37.