中学几何光学演示实验研究与设计——光的反射

安首来

本文用He-Ne激光器作为光源，主要对中学物理几何光学演示实验《光的反射》从演示内容，使用仪器，演示效果这些方面进行探索，归纳和总结，并附上实际拍摄的照片，希望能够从演示实验方面对物理教学有所帮助。

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。通过物理演示实验，将日常生活或生产实践中不易观察到的或习以为常而未引起注意的物理现象突出的显现出来；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，并把它集中的显示出来。因此，物理演示实验深受广大师生的欢迎[1]。

几何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；光的独立传播定律和光的可逆性原理[2]。

光的反射实验研究

使用器材：He-Ne激光器、平面镜、双平面镜、漫反射镜。

光的反射定律1）将平面镜转轴插入度盘孔中，垂直度盘孔，垂直0-0线；2）调整分束器，只用一条光线，并使它沿度盘半径方向入射；3）转动度盘，使入射光线以不同的入射角射向平面镜读出反射角，可以看出入射角和反射角相等（图1、图 2）。

平面镜对会聚光线成实像1）调整分束器，产生聚光线，其交点为S；2）将平面镜转轴插入度盘孔中，会聚光线反射，得S点的像S（图3、图4）。

平面镜对发散光线成虚像调整分束器，产生发散光线，投射到平面镜上，反射后可得虚焦点S，实物成虚像（图5、图6）。

平面镜转角和出射光线转角关系1）开启激光器，调整分束器，只用一条光线，使它沿度盘半径方向射到平面镜上。记录反射角的值θ1；2）转动度盘，从指标线上读出度盘转角α，再读出反射角θ2，可求出α和|2(θ2-θ1)|之间的关系（图7）。

说明：对比图8可以看出当平面镜转到面平行60度线即平面镜法线与原法线夹角为30度时，反射光线之间的夹角是60度，则|2(θ2-θ1)|= α，即出射光线的转角是平面镜转角的2倍[3]。

双平面镜成像特性1）将双平面镜转轴插入度盘中；2）调整分束器，使光线投射在双平面镜上，当度盘转动时，出射光线保持不动。测出β和α之间的关系。通过思索可得到出射光线不变的答案（图9）。

说明：由于β=180°－2α，α角不变，β角也不会变，所以只要入射光线不改变，双面镜夹角不变，出射光线也不会改变[3]。

光的漫反射1）将漫反射镜转轴插入度盘孔中；2）调整分束器使产生一束光线，投射的漫反射镜上，可观察到漫反射现象（图11、图12）。

实验总结和收获

通过这段时间对中学物理几何光学演示实验（光的反射）的研究，笔者发现要演示好几何光学，必须注意以下2点。

1）首先要解决的问题是如何使光路呈现在眼前，开始时用点光源来实现，即直接用激光照射，可是点光源只有打在屏上时才能得到集中的一点，无法呈现出光路；后来经过仔细观察，使用扩束镜把激光扩束成线光源，线光源要呈水平状，然后用一白屏和激光传输方向平行的放置在激光的侧面，则屏上就出现了清晰的光路。

2）演示几何光学时要把使用仪器紧贴屏放置，当激光照射时光路才会呈现出来，可通过调节扩束镜来改变光的亮度，而光线的粗细则要通过调节激光与屏的方位，即激光光路与屏之间的角度来实现。如果要拍成照片，光路一定要细，与屏亮度的对比度一定要大，但光路不可太亮，否则照片的光路太亮，有些需要看刻度的演示实验，刻度无法看清楚。

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]姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版设,1989

[3]陈怀琳,邵义全.普通物理实验指导[M].北京:北京大学出版社,1991

（作者单位：甘肃省天水市麦积区教育局电教馆）