第四章  光

1 自主活动  光从空气斜射进入水中的折射

活动指导

（1）观察光从空气斜射进入水中发生的折射现象。

（2）分析比较实验数据获得折射角与入射角的定量关系。

实验装置如图 4 – 1 所示，在水槽中盛适量的水，使竖直圆盘的圆心 O 刚好位于水面，激光笔可沿圆盘边缘移动，所发出的光束沿盘面射向圆心 O。从 A 点发出的光经圆心 O 进入水中后，经过水面下刻度盘上的 B 点。OA 和 OB 的长度为圆盘半径，用圆盘上的刻度可以读出 OA、OB 在水平和竖直方向投影的长度，从而得到折射角和入射角的相关信息。（注：由于激光束有一定的宽度，读数时只需取整数）

实验时的具体操作如下：

（1）水槽中装适量水，水面刚好通过圆盘的圆心 O。

（2）调整激光笔，使激光从圆盘边缘射向圆盘的圆心 O。

（3）分别记录入射光在水平和竖直方向投影的长度 AC、OC，折射光在水平和竖直方向投影的长度 BD、OD。

（4）改变激光笔的位置，多次实验，将实验数据记录在表 4 – 1 中。

表 4 – 1

由观察可得，光从空气斜射进入水中，光偏离原来的传播方向。折射角随入射角变化，折射角________（选填“大于”“小于”或“等于”）入射角。

通过计算可知，入射角与折射角的________（选填“正弦值”“余弦值”“正切值”或“余切值”）之比基本相等，这个值就是水的折射率 n，水的折射率 n = 1.33。

思考

如果将水槽内的水换为盐水重复实验，实验现象和实验结论会不一样吗？

2 学生实验  测量玻璃的折射率

实验指导

1．实验说明

在本实验中，用大头针确定光通过玻璃砖的传播路径。

2．实验操作

在水平木板上放一大张白纸，按玻璃砖的宽度在白纸上画两条平行线，玻璃砖依线置于纸面上。

如图 4 – 2 所示，在玻璃砖的一侧垂直于纸面插入两枚大头针 a、b，其连线与玻璃砖表面成一定角度。在另一侧透过玻璃砖观察，并在该侧的适当位置插入大头针 c，使其遮挡住大头针 a、b，再插入大头针 d，使其遮挡住 a、b、c，则人眼只看见大头针 d。此时，四枚大头针位于同一条射入眼睛的光线上。根据大头针的位置在白纸上画出入射光线和出射光线，确定入射点和出射点，画出玻璃砖中的折射光线。

实验报告

实验名称

测量玻璃的折射率

实验目的

（1）会用插大头针的方法确定光通过玻璃砖的传播路径。

（2）会测量光从空气斜射进入玻璃砖的入射角和折射角，由此得到玻璃的折射率。

实验原理

光在同一种均匀介质中沿直线传播，由两点可以确定一条光线。当光从空气斜射进入另一种介质时会发生折射，满足折射定律 n = \(\frac{{\sin {\theta _1}}}{{\sin {\theta _2}}}\)，式中 θ₁ 和 θ₂ 分别为入射角和折射角。

实验器材

透明玻璃砖、大头针、木板、白纸、三角板、量角器。

实验方法与步骤

在水平桌面上放一张白纸，在白纸上画两条平行线，间距与玻璃砖的宽度相同。将玻璃砖放置于两平行线之间。

按图组装实验装置。（其他步骤填写在下方空白处）

整理器材。

实验数据记录

测量并记录光从空气进入玻璃的入射角 θ₁ 和折射角 θ₂。改变入射角，多次测量，将数据记录在表 4 – 2 中。

表 4 – 2

实验数据处理

根据测得的入射角和折射角，计算两者正弦值之比。

结果分析与实验结论

入射角不同，入射角与折射角的正弦值之比基本相等。

玻璃的折射率 n = ________。

讨论与思考

（1）如图 4 – 3 所示，将圆心为 O、半径为 R 的半圆柱形玻璃砖放在水平桌面上。用大头针确定从 P 点入射的光，在玻璃砖圆柱面后方用大头针确定出射光。观察发现出射光与入射光平行。试在图中画出光进入玻璃砖后的传播路径。

（2）某同学想用本实验的方法测量水的折射率。写出实验所需的器材和步骤。

3 自主活动  光在玻璃与空气界面的折射、反射和全反射

活动指导

活动目的：

（1）观察光在玻璃与空气界面的折射、反射和全反射现象。

（2）改变入射角，观察折射光与反射光的方向、强度的变化，发现当入射角大于某一角度时折射光消失，只有反射光的现象。

实验装置如图 4 – 4 所示，圆盘标有角度刻度，可绕过其中心且与盘面垂直的轴转动。半圆柱形玻璃砖置于圆盘上，其圆心与圆盘的圆心共点。激光器发出的光沿玻璃砖的半径射向圆心。入射角、折射角和反射角可由圆盘上的刻度读出。

实验时的具体操作如下：

（1）仔细调节半圆柱形玻璃砖的位置，使其圆心与圆盘圆心共点，且易于读数。

（2）固定激光器，使其发出的光由半圆柱面射入，且刚好通过玻璃砖的圆心。

（3）转动圆盘，使入射光垂直于玻璃砖的直边，观察光的传播情况。

（4）转动圆盘，逐渐增大光从玻璃进入空气的入射角，观察折射光与反射光方向、强度的变化。

思考

实验中逐渐增大入射角，折射光与反射光的强度如何变化？这一现象是否满足能量守恒定律？

4 学生实验  用双缝干涉实验测量光的波长

实验指导

1．实验说明

图 4 – 5 所示的实验装置可供本实验选用。当激光器发出的光通过双缝到达光强分布传感器时，可获得光强分布。

2．实验操作

激光器发出光，调整光的方向使其通过双缝后到达光强分布传感器。

运行软件，显示屏上显示清晰的干涉条纹，如图 4 – 6 所示。

实验报告

实验名称

用双缝干涉实验测量光的波长

实验目的

用双缝干涉图样的条纹间距测量光的波长。

实验原理

单色光发生双缝干涉时，相邻条纹间距 Δx 与双缝间距 d、光屏到双缝的距离 L、光的波长 λ 之间有确定的关系 Δx = \(\frac{L}{d}\) λ。已知双缝间距 d，通过测量相邻条纹间距 Δx、光屏到双缝的距离 L，就可以间接测出光的波长 λ。

实验器材

光学导轨、可调节方向的激光器、双缝、光强分布传感器。

实验方法与步骤

（1）在导轨上安装激光器、光强分布传感器和间距d已知的双缝。

（2）调节激光器发出的光的方向。

（3）计算机采集数据后，在显示屏上得到清晰的双缝干涉图样。

（4）选择有效的区域（图 4 – 7），测量 N 条条纹的间距 ΔX，Δx = \(\frac{{\Delta X}}{{N - 1}}\)。

（5）用不同间距的双缝或调整传感器到双缝的距离多次实验，将数据填入数据记录表中。

（6）整理器材。

实验数据记录

表 4 – 3

实验数据处理

根据关系式 Δx = \(\frac{L}{d}\) λ 得到待测光的波长 λ。

结果分析与实验结论

改变实验条件多次测量，测得的波长数值基本一致。

本实验中，单色光的波长为_______m。

讨论与思考

（1）实验中为何要测量 N 条条纹而不是相邻条纹的间距？

（2）设计一个测量双缝间距的方案。

5 自主活动  肥皂膜的干涉现象

活动指导

活动目的：

观察竖直肥皂膜上的彩色条纹，进而用光的干涉解释该现象。

实验装置如图 4 – 8 所示，实验时的具体操作如下：

（1）配制肥皂液，以肥皂膜可较长时间存在为宜。

（2）将清洁的、开口较大的不透明杯子的杯口浸入肥皂液内。杯子离开肥皂液时，杯口处形成肥皂膜。

（3）杯子置于水平桌面上，保持杯口竖直，观察肥皂膜上的彩色条纹分布情况。

（4）在酒精灯灯芯上撒一些食盐，酒精灯的火焰将变为黄色，照射肥皂膜，观察肥皂膜上的条纹。

思考

若使杯子在桌面上缓慢滚动，肥皂膜上的条纹会如何变化？

6 自主活动  光的单缝衍射

活动指导

活动目的：

通过观察单色光通过单缝后，在光屏上光的明暗分布特点，了解光的波动性。

实验中激光器发出单色光，经过缝宽为 0.2 mm、0.1 mm 或 0.05 mm 的单缝照射到光屏上。

实验装置如图 4 – 9 所示，实验时的具体操作如下：

（1）用激光器发出的单色光照射单缝，光屏上光强按一定规律分布。

（2）保持光屏和单缝的位置不变，更换不同缝宽的单缝，观察光屏上光强分布的变化。

（3）保持单缝宽度及单缝位置不变，仅移动光屏，改变光屏与单缝的距离，观察光屏上光强分布的变化。

思考

以单缝衍射现象的特点为依据，推理说明单色光通过方孔后发生衍射的光强分布有何特点。

7 自主活动  圆盘衍射

活动指导

活动目的：

通过观察激光器发出的单色光照射不透明圆盘或不透明小球后，在光屏上形成的光强分布，进一步了解光的波动性。

实验装置如图 4 – 10 所示，激光器发出的单色光照射到直径略小于激光束的不透明圆盘或不透明小球上后，到达光屏。光屏尽可能远离不透明圆盘。在较暗的环境中有助于观察现象。实验中，也可以用激光照射大头针尖端吸引磁化的小铁球（直径约 2 mm）。

实验时的具体操作如下：

激光器发出的单色光照射不透明圆盘或不透明小球，光屏上形成泊松亮斑。

思考

为什么泊松亮斑的发现为光的波动性提供了有力的支持？

8 自主活动  光通过偏振片后的光强变化

活动指导

活动目的：

光垂直通过偏振片，观察以光的传播方向为轴转动偏振片时，光屏上光强的变化。

实验装置如图 4 – 11 所示，实验时的具体操作如下：

（1）光垂直通过一片偏振片照射光屏，以光的传播方向为轴转动偏振片，观察光屏上光强的变化。

（2）光垂直通过两片相互平行的偏振片 A、B 照射光屏，保持偏振片 A 不动，以光的传播方向为轴转动偏振片 B，观察光屏上光强的变化。

思考

将一片偏振片覆盖在点亮的液晶屏表面，解释为何偏振片在屏幕表面内转动时会观察到亮暗变化的现象。

学期活动  了解人类对光的本性的认识过程

活动内容与要求

这是一个阅读综述类活动。本活动要求：通过阅读相关书籍和查阅资料，了解人们对光的本性的认识过程，在此基础上撰写读书报告并在班级中交流。

活动指导

（1）阅读相关书籍，边阅读边记录书名、文章标题、作者和阅读心得等信息。

（2）以小组为单位撰写读书报告，小组成员有明确分工。

（3）交流时可采用图表、时间轴或者导图等多种形式呈现信息。

（4）引用或者参考的资料需要标明出处。

参考资料

（1）选择性必修第一册教材第四章章导言中简述了人们对光的本性认识过程，教材第 81 页关于双缝干涉现象和第 88 页对泊松亮斑的介绍可作为参考。

（2）以“粒子说”“波动说”等为关键词搜索相关信息。

评价量表

第四部分  本章实验与活动部分解读

1  自主活动  光从空气斜射进入水中的折射

参考解答：实验现象不同。将水换为盐水，相同的入射角对应的折射角不同。实验结论相同，入射角与折射角的正弦值的比值基本相等。

命题意图：运用规律推理新实验的现象。

2  学生实验  测量玻璃的折射率

（1）参考解答：如图 22 所示

命题意图：将实验中的方法做简单的迁移。

（2）参考解答：实验器材：水、大头针、白纸、三角板、量角器、木板。步骤：装有水的薄的方形透明塑料容器放置在白纸上，在塑料容器的一侧垂直于纸面插两枚大头针 a、b，其连线与塑料容器表面成一定角度。在另一侧透过塑料容器观察，并在该侧的适当位置再插两枚大头针 c、d，使四枚大头针依次遮挡。此时，它们位于同一条射入眼睛的光线上。根据大头针的位置在白纸上画出入射光线和出射光线，确定入射点和出射点，画出塑料容器中的折射光线。测量并记录光在空气和水界面上的入射角 θ₁ 和折射角 θ₂。

命题意图：自主完成方案的设计，深化对实验方案的理解。

3  自主活动  光在玻璃与空气界面的折射、反射和全反射

参考解答：开始时，反射光比折射光强度弱。增大角度，反射光强度增大，折射光强度减弱。当角度增大到某一值时，折射光消失，仪有反射光。继续增大入射角，始终只有反射光。这一现象可以用能量守恒进行解释，折射光的能量与反射光的能量之和等于入射光的能量。入射光的能量一定时，反射光光强增大，则折射光强度必定减弱。

命题意图：从能量的角度看光的反射、折射和全反射现象。

4  学生实验用双缝干涉实验测量光的波长

（1）参考解答：用累积的方法来减小实验误差。

命题意图：理解实验中的关键步骤。

（2）参考解答：单色光发生双缝干涉时，条纹间距 Δx 与双缝间距 d、光屏到双缝的距离 L、光的波长 λ 之间有确定的关系 Δx = \(\frac{L}{d}\) λ。利用本实验装置，用已知波长 λ 的单色光作为光源，测量条纹间距 Δx，光屏到双缝的距离 L，双缝间距 d = \(\frac{L}{{\Delta x}}\) λ。将测量得到的数值与双缝屏上所标数值进行比较。

命题意图：设计一个方案，体会双缝干涉实验在长度测量方面的应用。

5  自主活动  肥皂膜的干涉现象

参考解答：基本没有变化

命题意图：认识肥皂膜发生干涉的原因。

6  自主活动  光的单缝衍射

参考解答：光通过单缝衍射呈现出中间宽、亮，两边对称的亮暗间隔等距的光强分布，光扩展的方向与单缝相互垂直。小方孔可以看作两个两组单缝垂直合成。每个单缝在光屏上分别有光强分布，则小方孔的光强分布就可等效为两个垂直单缝的衍肘光强分布的叠加。

命题意图：对实验现象进行分析和推理。

7  自主活动  圆盘衍射

参考解答：按照光的波动理论计算结果圆盘中央应该出现亮斑。实验现象与理论计算的结果一致，说明光通过圆盘后没有沿直线传播，到达了圆盘后的阴影区域，发生了衍射现象，为光的波动性提供有力支持。

命题意图：认识泊松亮斑发现的意义。

8  自主活动  光通过偏振片后的光强变化

参考解答：液晶屏发出的光为偏振光，在垂直于传播方向的平面内光只沿一个特定的方向振动。若连续转动偏振片，则偏振片的偏振方向与液晶屏发出的光的偏振方向的夹角随之变化，通过偏振片的光强也会发生相应变化。

命题意图：通过推理解释实验现象。

发布时间：2023/2/15 9:12:23  阅读次数：1040