“探究光反射时的规律”的实验探讨

熊建新

摘 要：对“人教版”《探究光反射时的规律》一节中探究实验的某些步骤的必要性从理论上进行了阐述，并对该节内容的设计进行了讨论。

关键词：光反射；入射光线；反射光线；法线

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）2-0064-1

《探究光反射时的规律》（“人教版”）是初中光学的一个重要实验。

笔者一直存在两个疑惑：一是为什么一开始要把纸板竖直地立在平面镜上；二是有必要探究入射光线、反射光线、法线三线共面吗？笔者以为该实验实际上是验证性实验而不是探究性实验。下面就这两个疑惑加以分析：

为什么实验中白纸板或光屏一定要竖直地立在平面镜上呢？当光束沿着白纸板或光屏射到平面镜（反射面）上时，我们在白纸板或光屏上看到的光迹实际上是一部分光在传播过程中在白纸板或光屏表面（微观上是凹凸不平的）发生漫反射的反射点的集合。光束沿着白纸板或光屏在传播过程中越来越细，理想情况下，到达平面镜的光束实际上在与白纸板或光屏平行的平面上。其实，反射光束也在与白纸板或光屏平行的平面上，只是反射光束在空气中传播肉眼看不见。当白纸板或光屏相对平面镜的倾斜角度较大（大于90度）时，射到平面镜的光束所在的平面与白纸板或光屏平行且有一定的距离，如图1（a）。当白纸板或光屏与平面镜垂直时，射到平面镜的光束所在的平面与白纸板或光屏平行且距离最小，如图1（b）。这样，反射光束呈现在白纸板或光屏（微观上是凹凸不平的）上的机会最大。因此，实验中白纸板或光屏一定要竖直地立在平面镜上。

我们知道两条相交直线一定共面。已知两条相交直线中的一条在某个面上，则另一条必在该面上。入射光线、反射光线是两条相交直线，必定在同一平面上。 当白纸板或光屏垂直于平面镜时，如果让入射光束从白纸板或光屏上射向平面镜，则反射光束必呈现在白纸板或光屏上。法线是过入射点（在白纸板或光屏与平面镜的交线上）垂直于平面镜的直线，是为了定量、方便地描述反射规律而引入的，根据立体几何定理很容易知道法线一定在白纸板或光屏上。因此，入射光线、反射光线、法线一定共面，三线共面是无需探究的，探究三线共面违背了简单的立体几何定理。

解决了上述两个疑惑，我们可以站在初学者的角度设计“探究光反射时的规律”的实验方案。总体思路如下：首先，引导学生思考怎样显示入射光线、反射光线的路径；然后，把一个平面（如：白纸板、光屏）放在平面镜上承接入射光线、反射光线，在操作中确定这个承接平面与反射面（平面镜）的空间位置关系，为了定量、方便地描述反射规律引入法线（在承接平面上）、入射角、反射角；最后，探究反射角和入射角的关系，多次改变入射角重复实验，分析数据后就可以得出正确的实验结论。

参考文献：

[1]课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心.物理（八年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

（栏目编辑 邓 磊）