“光路可逆”演示实验教具的理论设计研究

摘 要：光在气体、液体、固体等均匀物质中沿直线传播，在不同的介质表面上发生折射。教学中，学生需要明白光直线传播性质、折射规律、直观掌握光的传播路径的可逆性，为后续学习奠定基础。因此，文章通过实验设计，制作了一个光的折射和光路可逆演示仪，详细论证了其演示原理和可行性，以供教學参考和应用。

关键词：光路;折射;光路可逆

一、 引言

光在气体、液体、固体等均匀物质中沿直线传播，在不同的介质表面上发生折射。新课程标准明确要求学生通过实验得出光在空气、水、玻璃等透明、均匀物质中沿直线传播。然而，在物理教科书沪科版中，第四章，第一节p54，图4-4中的演示实验仅仅呈现了光在透明液体（水）中的传播路径和光在玻璃中的传播路径，却没有光在气体中传播的实验。另外，在光的折射现象中，物理教科书沪科版第四章第三节中，提到光的折射现象中光路可逆，也就是说在光的折射现象中，从一种透明介质A斜射入另一种透明介质B的路径，和从一种透明介质B斜射入另一种透明介质A的路径相同（也就是说折射角变为入射角）。

物理学是一门以实验为基础的学科，没有实验验证的物理规律会非常生硬和难以理解，因此，对光路可逆进行试验演示和验证是非常必要的。当然，一般实验室中具有光的直线传播的演示实验装置，但是对光的折射，仅仅以一根插入水中的木棍来简单说明，是远远不够的。另外，如果要证实光路的可逆性，更是难上加难，目前没有看到教材和实验室中具体讨论过相关的实验。因此，为了提升物理教学的课堂效果，以及为学生深刻理解光路的概念打下基础，有必要开发一组实验装置，正确演示光的直线传播、折射和光路可逆。

二、 光路可逆性实验教具的设计

（一）实验设计依据

大量资料和初中物理教科书沪科版中，第四章，第三节中提到光的折射现象中光路可逆（见图1，图2和图3，教科书截图）却没有实验证实。

光的折射是重要的光学现象，是理解透镜成像的基础，同时又是解释日常生活中许多光现象的基础，光的折射现象和初步的规律是学生学习以后几节内容的基础。学生比较熟悉光的折射现象，如生活中装满水的玻璃杯中的勺子似乎被折断了，学生知道现象却不知道原理。光的折射现象学生是非常感兴趣的，通过对现象的分析，可以培养学生密切联系实际，运用科学知识解释一些自然现象的能力，更重要的是激发学生的学习兴趣，提高学生的科学素质，让学生从小崇尚科学，立志献身科学。

（二）实验设计方案

图4是验证光路可逆的实验原理图。实验由白色挡板，由两个薄玻璃盒子、盒子中装入不同透明介质和激光笔组成。实验中，光线从一侧斜射入，从另一侧射出，在水槽上画出相应的光路。验证实验，从前一次折射光线出射点，用相同的角度反向射入，可以得到正向射入和反向入射，光路一致，得到结论光路可逆。

（三）实验原理

根据折射率N=cν（ν介质中的光速），相对折射率N21=N2N1=sinαsinβ，可以知道光在一些常见物体中的折射率（常温常压），见表1。

为了使演示实验效果较好，我们需要让入射光线和折现光线之间的夹角——偏转角较大。为此，做折射演示实验的两种物质应该对光的折射率有较大的差异，同时需要选择合适的入射角进行演示，这样才可能达到我们预想的演示效果。因此，为了取材的便利，我们选择了水和糖水（80%）这两种物质作为演示材料，装置如图6所示。

为弄清什么情况下入射可以获得较大的偏转角，设入射角为α1，第一次折射角为β1，第二次折射角为β2，偏转角为γ，由几何关系可知γ=α1-β2。

根据偏转角关系，可以知道随入射角增加而增加。我们分别计算各种不同介质，以30°、45°、60°为入射角度计算不同介质中的折射角度。我们取生活中常见的物质，介质1，2，3分别为空气、糖水（80%）、透明玻璃、透明塑料（聚苯乙烯）中的三种，计算获得表2，3和4相关折射角数据。

由表2～4折射角数据可以看出，当入射角度越大，那么偏转角度越大，实验现象越明显。因此，做实验时，使用大角度入射得到实验现象明显。而且，选择介质1、2和3分别为空气、水和透明塑料（聚苯乙烯）在同样入射角下获得的偏转角也越大，效果也越好。

（四）选取适合的角度

虽然入射角越大，偏转角也会越大，但是不是入射角尽量大呢？显然，不是这样的。光通过界面时一方面折射，一方面也要反射。当折射的光强衰减到入射光强的67.5%左右时，折射演示实验效果不明显。因此，有必要知道多大的入射角可以实现较好的实验效果。光在通过透明介质时，会发生反射和折射，而反射率R和透射率T的关系满足：T=1-R，要使实验光线损失小，那么T>67.5%，R<32.5%。设第一次入射角为α1，折射角为β1，第二次折射角为β2。

因此，两次反射后的光线总反射率为R总=R1+R2×（1-R1），总透射率T总=1-R总。因此，可以计算不同角度下不同入射角光的透射率。考虑到相同入射角情况下，空气、水和透明塑料介质组合折射角最大，因此以此为例，进行计算，具体见表5。

可以看出T<67.5%相应的角度在78.4°～78.5°之间，要使T<67.5%，那么做实验所选取的入射角度数最大应在78.4°，而为了使实验效果明显，同时使得偏转角超过60°，入射角角度在60°～70°为宜。

三、 结语

通过设计一组光的直线传播、光的折射和光路可逆为一体的演示实验，系统地讨论这一演示实验的设计原理和使用办法，为后续具体实验装置制作和教学应用提供依据。研究表明，当入射光线在入射角 60°～70°之间时，光通过空气、水和透明塑料三种介质表面两次折射的偏转角超过30°，光的透射率可以保持到70%左右，具有最佳的演示效果。

参考文献：

[1]彭前程.八年级物理上册[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]潜雪金.浅谈光的反射和折射[J].传奇·传记文学选刊：教学研究，2013（7）：42-43.

[3]夏卫东.光的折射实验教学案例分析[A].第五届中国教育技术装备论坛获奖论文集（上）[C]，2014：7.

作者简介：

王军，贵州省遵义市，遵义师范学院附属学校。