光的折射规律探究仪

陈毓华

（福建省南安市侨光中学，福建 南安 362314）

光的折射定律在高考考试说明中是二级要求，测定玻璃的折射率是考试说明中明确要求学生要掌握的14个实验之一.光的折射定律在高中物理中的重要性，由此可见一斑.

光的折射现象容易观察，实验容易做，但如果要学生通过探究去发现其规律，难度不小，因为入射角与折射角之间的关系不是简单的正比关系，而是入射角的正弦与折射角的正弦成正比.角度容易测量，但是其正弦值不容易计算.本仪器采用另外一种思路，通过测量长度直接求正弦值.使得实验结论更直观的展现，方便学生通过自主探究去总结光的折射规律.本仪器设计巧妙，成本低廉，容易制作，使用方便，适合各级各类中学使用，即可以用于教师演示，也可以让学生利用这个仪器进行自主探究，具有一定的推广价值.下面就该仪器的结构、原理以及使用方法介绍如下.

1 仪器结构

如图1所示，仪器由底板，激光笔，盛水盒，角度盘和刻度尺等部分组成.底板由塑料板或木板制作而成，在上面刻出一条半圆形轨道槽1，用于固定激光笔，并使得激光笔可以沿着轨道槽改变入射光角度，入射光线始终指向盛水盒圆心，通过刻在底板上的角度值，很容易读出入射角的大小.盛水盒由半圆形玻璃缸做成，通过改变液体来改变介质性质，盛水盒也可以直接由半圆形玻璃砖代替.两根刻度尺可以在直线轨道上上下移动，并能固定在任意位置上.

2 仪器原理

图1

本仪器是利用“单位圆法”来确定sini、sinr，计算折射率n的.如图2所示，以入射点B为圆心，以一定长度R为半径画圆，交入射光线AB于Q点，交折射光线BC于S点，过Q作MN的垂线QT，过S作MN的垂线SU.sini＝sinr＝，而BQ＝BS＝R.所以只要测出QT、SU的长度以及单位圆的半径，就可以求出sini和sinr.而折射率，只要用刻度尺测出QT、SU的长度就可以求出n.

图2

3 仪器制作

图3

如图3所示为制作好的一个样品，底板材料为木板.盛水盒（玻璃砖）的半径为r＝3.7cm，玻璃砖的折射率n小于水的折射率大概是，这样为了能够测出折射角的任意值，单位圆的最小半径R＝5.2cm.这里，笔者采用了12cm的圆，方便测量，当然，可以根据需要扩大“单位圆”的半径.

激光笔为市场上可以方便买到的玩具激光笔，其轻触按钮开关要改造成自锁开关，在激光笔前面加一个玻璃棒，使得其变成线状光源.这样，激光光线才能投影在底板上，方便读数.

4 使用方法

（1）在盛水盒中装入某种液体，比如纯净水，使得液体刚好填满整个半圆盒.

（2）调整激光笔角度，等液体稳定以后，打开激光笔，使得激光从空气射入液体，观察入射光线与折射光线，入射角与折射角的关系.

（3）改变激光笔角度，重复步骤2.

容易得出结论：入射光线与折射光线分居法线两侧，折射角随入射角增大而增大，但是折射角小于入射角，折射角与入射角不成正比.可进一步研究.

（4）移动刻度尺，测量出入射光线与圆周交点到法线的距离s1，折射光线与圆周交点到法线的距离s2.如图4所示.

（5）改变入射光线角度，重复步骤4.

容易得出结论：s1与s2的比值是一个常数.即入射角的正弦与折射角的正弦成正比.求出s1与s2的比值，就是介质的折射率.

图4

（6）调整激光笔角度，使得激光从液体射入空气，观察反射光线与折射光线.改变激光笔角度，观察反射光线与折射光线的变化情况.容易发现：当随着入射角的增大，折射光线越来越弱，反射光线越来越强；当入射角达到某个特定值以后，折射光线消失，反射光线最强.该值可以通过角度盘读出，即为临界角.

本仪器经过笔者在教学中使用，效果良好.盛水盒用半圆形玻璃砖代替，效果更好.