生活中光的折射现象试验研究

石春萌

（131002200809124446）  天津英华实验学校

摘要：设计制作了“光折射”现象的演示装置。列举了生活中常见俺的光的折射的现象，并以井底之蛙折射现象为例。通过制作简易天空、水井、蛙眼模型，重现青蛙视野在“枯井”和“满水井”中的变化，展示“光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折”“在折射现象中，光路可逆”两个折射特征，使抽象的叙述性强的折射现象实例更加直观，有助于学生有效建立折射概念，加深对折射特征的理解．

关键词：光的折射；试验；井底之蛙

光的折射是初中光学部分的重要内容之一，初步揭示了光在两介质交界面处的波动规律。折射现象虽然常见于日常生活，但如彩虹（双折射现象）、放大镜（凸透镜成像规律）这类具体“折射”现象，不宜作为“光的折射”现象学习的首要素材。人教版初中物理教材对“光的折射”的描述是：由实验可以发现，光从空气斜射入水中时，传播方向发生了偏折，这种现象叫作光的折射。为此，授课者通常会采用如“潭清疑水浅”的实例进行讲解，往往叙述性较强，忽略了学生对“折射”现象的主观体验。“井底之蛙”是学生喜闻乐见的寓言故事，其中“青蛙视野的变化”便蕴含着折射原理。通过自制的“井底之蛙”教具，学生将抽象的折射概念转为了对视频观察的直观感受，进一步深化了对“光的折射”现象的学习与理解。

1生活中的折射现象

1.1汽车前灯

汽车前灯的玻璃和普通窗户上的玻璃是不同的，属于散光玻璃，是根据汽车的用途利用光的折射原理制作而成。散光玻璃是金属模子压制的，其构成包括棱镜、透镜两种材料，透过这种玻璃发出的光线发生上下、左右等各个方向的折射，从而增加照亮的范围，使开车的人能够看清路边的标识及前方的路面情况。光线从前灯的玻璃中射出进入空气这一介质使其传播的路径发生改变而扩大了传播的范围，并且通过折射分散的光线更加均匀、柔和，降低了夜路造成的明暗差异，方便人们视物。普通的玻璃不具有将光线散射的功能，射出光比较集中，在小范围内比较亮，和周围的暗度相比差异明显，与之类似的有防盗门上的猫眼也是这个原理。

1.2毛玻璃

毛玻璃在生活中的用途也比较广泛，它的透光性较好但是又不透明，无法看清楚玻璃后面的东西但不影响采光，因此常用于浴室及厕所的门窗设计。毛玻璃与普通玻璃的差别在于其一面光滑一面粗糙，粗糙的一面将光线不规则的折射使其无法形成背后物体的真实影像，可以起到很好的遮挡作用，而且光线只是传播角度发生改变而不是被阻挡传播，因此并不影响采光，而且会使光线柔和、充足

。但是当粗糙的那一面被弄湿后就会变的光滑，光线的折射会形成一定的规律并真实地反应玻璃后物体的影像，因此就会失去遮挡的功能。根据这个原理我们可以将卧室中比较亮的灯泡的玻璃制作成磨砂的，以此降低过亮的光线并使屋内的亮度均匀；还可以用于办公室内办公区的隔断门等。

1.3捕鱼

距离湖或者河比较近的地方，人们往往有捕鱼的习惯，在传统的捕鱼技巧中，经常用鱼叉在水里插鱼。经验丰富的人知道，插鱼时如果按照眼睛看到的深度插入是不会成功的，实际的深度要大于眼睛看到的深度，只有插的更深才能捕到鱼。因为光从空气中传播至水中后，两种介质的密度不同，光因此发生了折射，但是因为水是光滑的因此可以看到鱼的成像，只是由于折射导致成像和实像有了差异，人的眼睛看到的成像是虚像。与之类似的还有将筷子插入水中后形成的折断现象，筷子本身是直的，插入水中后空气中暴露的部分和水里的部分像是折断分开了，这就是光线的折射改变了传播方向导致的。了解这些现象之后，游泳或者洗澡时就要注意水的真实深度，不要被虚像误导认为水浅，避免发生溺水等危险。

1.4繁星闪烁

夜晚的时候我们抬头看星星会觉得一闪一闪的，为什么星星不是一直亮着而是会忽明忽暗呢？这也是光的折射作用导致的现象，我们都知道地球的周围有大气层包裹着，而大气层的密度其实不是均匀的，星星的光透过大气层后，传播方向发生了弯曲。同时，大气层也是不稳定的，它在不断运动着，密度不断变化，光线折射的方向也会随之发生改变，因此不会一直折射到我们眼中而产生了闪烁的现象。

1.5海市蜃楼

海市蜃楼是一种奇妙的自然现象，夏天有时候人们在平静的海边远远望去，会看到远方的海面上空有山峰、楼台或者庙宇等现象，古时候的人们无法对此做出科学的解释因此将其赋予了神话色彩，认为是海中的蛟龙（蜃）吐气形成的，称之为“蜃楼”。当了解了光线折射的原理之后就会明白这种现象产生的原因：夏天空气的温度较高，但是距离海面较近的下层空气温度较低，其密度比上层空气的密度大，可以说海面上空的空气是由许多密度各不相同的气层构成，光线在密度不同的空气中传播时会发生折射的现象，远处的人物及景色被光线折射到空中，而且被不同密度的多个气层折射，离法线的方向越来越远，当光线进入上层空气后，入射角增大发生了全反射使光线回到地面，因此在人们的眼中会觉得景色在海面上空。此外，在沙漠里人们有时看到远处有水源，但是向着看到的方向走去却往往徒劳无功，也是因为沙漠中的底层空气密度与上层空气密度有差异而使光线发生折射出现的蜃景，并不是真实的景色，还有夏季的柏油马路上远远望去路面像被雨淋湿了也是这个道理。

2.生活中折射现象的试验

2.１实验原理

实验装置的设置围绕“光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折”“在折射现象中，光路可逆”两个具体特征，展示“青蛙视野变化”，重现“光的折射”现象，揭示“光的折射”规律。实验装置的基本结构如图１所示。将与电脑连接的摄像头置于水平桌面上，作为“青蛙的眼睛”，通过四脚架在其上方安置不透光的烧杯，作为“水井”，再在其上方安置覆盖有镂空图案的四脚架，作为“天空”。未加入清水时，水井中存在唯一的均匀介质空气。此时，光沿直线传播进入摄像头O，受水井口直径D约束，可获得最大图像范围是圆O1，如图2（b）中水井枯水时的光路图，逆光看去即是“枯水井中青蛙眼中的天空区域为A”，此时需记录视野O1中镂空图案（相同规制、均匀排列的圆孔）数量M，作为量度。当通过外连漏斗向烧杯稳定注水至井口时，水井口存在两种介质：水和空气。此时，光线在交界面处将发生光的折射，折射光线靠近法线在水中沿直线传播进入摄像头O，受两种介质折射率约束，可获得最大图像范围是圆O2，如图2（b）中水井满水时的光路图，逆光看去即是“满水井中青蛙眼中的天空区域为B ”，再次记录视野中镂空图案数量（相同规制、均匀排列的圆孔）N为量度。

1。带有相同规制镂空图案的天空模型；2。安置天空模型的四角脚支架；3。用作水井模型的不透光烧杯；4。支撑水井模型的四脚支架；5。代表蛙眼模型的摄像头；6。计算机

图１　实验装置基本结构图

（a）水井满时                         （b）水井枯时

图２ “井底之蛙”实验装置立体光路原理图

通过对比两种情况下的二维光路图（图３），可知：水井内光的传播路径始终为直线，且受水井口直径D约束于顶角为 的等腰三角形内。枯水时，井口内外介质相同，光沿直线传播进入青蛙眼睛，青蛙所见天空区域即为前文所述等腰三角形两边反向延长线与“天空”产生的交线１；满水时，光在井口处形成的“空气－水”两介质交界面发生折射，而井中光的传播情况没有发生变化，根据折射规律，可以作出两条折射光线，两光线与“天空”再次产生交线2即为青蛙所见天空区域。实际上，交线1、2分别对应交面O1、O2比较量度M、N可知“青蛙的视野增大”了，直观体验了“光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折”“在折射现象中，光路可逆”两个光的折射现象与规律的具体特征。

图３“井底之蛙”实验装置平面光路原理图

2.2实验装置的制作

实验装置的基本结构与元件如图１所示，装置的制作步骤如下。

（1）天空模型的制作。取4根长度为90cm的白蜡木方，黏接成边长为90cm的正方形后，取边长为95cm的正方形深黑色卡纸覆于天空框架上，在其上镂刻“相同规制、均匀排列的圆孔”图案，作为丈量所观察天空区域的量度。再取4根长度为100cm的白蜡木方，垂直黏接在上述正方形框架四角，作为天空模型的整体支撑。 至此，天空模型的制作完成。当光从模型上方照射时，卡纸非镂空部分将阻挡光的通过，使得能透光的镂空图案观察起来更明亮，易于后续通过摄像头进行观察。

（2）水井模型的制作。选取烧杯1，容量为1000ml，作为水井使用。在烧杯1杯身（除底部）刷涂深褐色防水油漆，以便摄像头放置在模型下方时视野中只存在不透光烧杯明亮的杯口，减少光影的影响。取三脚架为支撑物，将处理后的烧杯置于其上，简易水井模型制作完成。

（3）注水装置的制作。选取烧杯2，容量为250ml，作为每次的注水容器。 选取实验室中常见的中号漏斗，在其下方连接橡胶软管，便于伸入水井模型中稳定注水，消除水花、气泡对观察的影响。

（4）视频传输的装置。视频传输装置，可选取防水摄像头安置在水井模型下方。考虑到实验经费与装置获取等问题，也可以使用外套防水膜的手机代替。

3实验演示和数据结果

（1）将自制的“井底之蛙”实验演示装置，按照如图1所示结构进行组装，确保各部分安装稳定后，调试摄像头清晰度与焦距，满足前文各部分所要求的正常状态。

（2）打开摄像头，引导学生观察“枯水”状态下“青蛙所看见的天空”，并对视野中的镂空图案数M进行记录，作为“青蛙所见”天空区域A的量度。

（3）通过注水装置向“水井”中注入清水，记录水满后视野中的镂空图案数N，作为“青蛙所见”天空区域B的量度。

（4）将上述步骤中所记录的各物理量，分别填入下方记录表格（如表2）。

（5）结束实验，将烧杯1中水倒入废液桶中，收拢实验装置至讲台下方。

根据观察的演示现象与表中所记录的实验数据，结果表明：在枯水时，光沿直线传播，“青蛙”逆光看去所见天空区域较小，加至水满后，“青蛙”逆光看去所见天空区域B远大于枯水时所见天空区域A，结合光路图，可见是由于光在水与空气的交界面处发生了折射现象，折射光线将靠近法线所致，较好地呈现了“光的折射”现象的两个特征。 如果将B的量度N分4次进行记录（如表3所示），引导学生画出对应光路图，便能进一步展示“折射角与入射角”的关系。

表1 实验演示数据记录表

表2 分4次注水时的实验演示数据记录表

4注意事项与误差分析

（1）烧杯1杯身所涂材料遮光性较差或杯底有砂钉、纹路等情况时，摄像头视野内易产生光影，会降低摄像头所获取图像的清晰度。

（2）注水时，动作不宜过于剧烈，否则会产生水花与气泡，使得视野出现晃动与光影，会降低实验现象的准确度、延长实验观察时间。

（3）装置设置通过“天空模型”的尺寸，很大程度上规避了实验环境中其他光束的影响，但是为了更好的实验效果，仍建议在较暗、非直射的光环境中进行。

5结论

本文首先分析了生活中常见的光的折射的现象，然后以光的折射—井底之蛙为实验对象进行生活化的实验探究。为优化对折射现象的直观体验，设计了一款较为新颖的光的折射现象的演示实验装置。该装置利用实验室与日常生活中的物品，通过自制教具的方法，重现了“井底之蛙”所见天空区域的变化。通过比较加水前后青蛙所见天空区域的量度，着重展示了折射现象中“光从空气斜射入水中或其他介质中时，折射光线向法线方向偏折”“在折射现象中，光路可逆”这两个重要特征，也为进一步研究“折射角与入射角”的关系预备了良好素材。利用“井底之蛙”实验装置进行课堂教学，将光的折射现象从课本中的枯燥实例转变为了趣味性实验，可以为学生提供了科学思维和科学探究的有效途径，有助于学生从易于理解的预设物理环境出发，发现问题、分析解决问题。从这一过程中，学生构建了物理科学探究的一般思路：实验、推理、论证、结论。有效提升了义务教育阶段学生核心素养“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与价值观”四维度中的关键能力。

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