一种简易的光全反射演示实验_李艳茹
第３７卷第６期
２０１６年
物 理 教 师
ＰＨＹＳＩＣＳＴＥＡＣＨＥＲ
ｏｌ．３７Ｎｏ．６Ｖ
（）２０１６
一种简易的光全反射演示实验
李艳茹 张皓晶 张 瑛 张 雄 严 霞 郑 颖 龚云梅
（）云南师范大学物理与电子信息学院，云南昆明 ６５０５００
摘 要：物理知识来源于生活，与我们的生活息息相关．本文中的小实验是用学生比较常见的生活用品来做的，实验现象也比较明显，通过本实验可以让学生进一步了解和认识光的全反射，教学实践表明效果较好．关键词：塑料杯；彩色布条；全反射；物理教学
１ 实验器材
透明塑料杯１只，自来水若干，彩色布条１块．２ 原理和方法（）在透明的塑料杯中装适量自来水．１（）把干燥的彩色布条拴在塑料杯上如图１２所示．
（）使塑料杯抬高一些，如图２，仰视塑料杯，３不能看到干燥的彩色布条
．
也就是说彩色布条杯，这个最大角将等于４１．５°．上的光线在０之间是可见的．设这个最大°－４１．５°
则角为ａ，
／ｓａ＝１ａ＝４ｉｎ１．５１＝０．６６２，１．５°．接着，光线到达容器、液体（这个角度为，）界面，有ｎ水＝１．１．５°３３４
ｂ，．５１ｓｉｎ４１．５°＝１．３３ｓｉｎ１
ｂ＝０ｂ＝４ｓｉｎ．７５２，８．８°．
这就跟液体和空气的临界角是一样的．在图３中，可以知道在液体表面的入射角ｃ是ｂ的余角
．
图１ 干燥的彩色布条
拴在装有水的塑料杯上
图２ 仰视时不能看到干燥的彩色布条
（）用自来水把彩色布条弄湿，再次放到跟步４）骤（一致的位置，再次观察．仰视时透过杯壁能３
够看到潮湿的彩色布条．
３ 实验结果
干燥的彩色布条反射的光穿过透明的塑料杯和水，以及通过彩色布条的各种光线被反射到塑料杯／水的边界．因此，当你仰视时，只能看到塑料杯的杯壁，而不能看到干燥的彩色布条．
在潮湿的彩色布条和杯壁之间由水、玻璃、水形成了一层边界，并且该边界不会发生全反射．因此，彩色布条将从各个角度都是可见的，就像我们平时用手托着１个空杯子（空气、塑料、空气边界）一样．４ 数据分析
可以用临界值的方法确定出对于该容器和空
［１］
用折射率ｎ＝１气界面的最大角度．．５１的塑料
图３ 观察角度比角ｅ大时彩色布条将不能被看到的光路图
ｃ＝９０°－４８．８°＝４１．２°．
得又因为 ｎ水ｓｃ＝ｎ玻璃ｓｄ，ｉｎｉｎ
ｄ＝３５．６３°．
）角ｄ比空气中的临界角（小，因此光将８．８°４
会以角ｄ的度数折射出，此时满足
得 ｎ玻璃ｓｄ＝ｎ空气ｓｅ，ｅ＝４ｉｎｉｎ１．２０°．
由图４，可以知道角ｆ是角ｅ的余角，因此
［２］
ｅ，０°－８．８°．ｆ＝９ｆ＝４
讨论：从垂直于液体表面的任意角度来观察是
导致在容器和液体界面在彩带布不会看到角ｄ的，
［］３
因此，条的位置发生内全反射．当观察者从下往上
看（仰视）是不能看见彩色布条的．观察者慢慢地举起塑料杯，当观察角度和液体表面所成的角度接近
）本文获国家教育部高等学校本科“专业综合改革试点”项目资助（项目编号：ＺＧ４８９． 基金项目：
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ｏｌ．３７Ｎｏ．６Ｖ（）２０１６
物 理 教 师
ＰＨＹＳＩＣＳＴＥＡＣＨＥＲ
第３７卷第６期
２０１６年
角ｅ时，观察者将首先看到的是彩带的下边缘．
时，光将在液体的表当角ｃ介于４１．２°８．８°～４
面发生折射．其中一些光线跟垂直于液体表面（法更大时，线）的夹角比４将发生内全反射，因此８．８°当我们从下往上看（仰视）时拴在塑料杯周围的彩带是可以被看见的．俯视时存在同样的现象，当从相同的角度观察，干燥的彩色布条是不能被看见的，用自来水把彩色布条弄湿后，从相同角度看相
［４］
如图４、图５所示．同位置的彩色布条又会出现，
另外，教师怎样结合简单且现象明显的小实验，让
学生过目不忘且激发学生的兴趣，是每一位物理教师应该终生研究的课题
．
图５ 俯视时彩色布条从无到有的光路图
参考文献：
［赵立竹，沈国．普通物理实验（光学部分）Ｍ］．１ 杨述武，
北京：高等教育出版社，００７．２］邵温仪，金戈．自制光的反射仪［物理实验，２ 杨燕婷，Ｊ．
（）：０１４９２０－２１．２，Ｆ３ ＹＺｈｕＳｈｉ．Ｗｈｄｏｅｓｔｈｅｏｌｄｆｉｓｈｄｉｓａｅａｒｉｎｔｈｅ ｙｇｐｐ
［］，（）：ｆｉｓｈｂｏｗｌＪ．ＴｈｅＰｈｓｉｃｓＴｅａｃｈｅｒ２００９７２４－４２６．４ ｙ［］４ Ｍ Ｓｔａｎｌｅ．ＡｔｏａｓｔｔｏｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎＪ．Ｐｈｓ． ｙｙ，（）：Ｅｄｕｃ２０１３４８６１．５
图４
俯视时彩色布条从无到有
（）收稿日期：０１５－１０－２７２
（上接第４８页）
其中Ｂ点发声的振幅最大，频Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ几点．率最低，这一频率称为基频，其对应的波也称为基
波．称Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ各点的频率为基频的整数倍，为谐频，对应的波称为谐波．Ａ处叫做第一谐波，Ｃ点叫做第二谐波，其他以此类推即可．通过以上分析发现铝棒发声的过程中，在铝棒的某一固定点（波节）处摩擦时，产生的声音频率不是单一的，还包含了其他更高频率的声音．当铝棒停止摩擦后，声音会还持续响亮一段时间．
（）金属棒的材料对发声频率的影响．４
为了研究这一因素，找来铜棒、不锈钢管、铁管等材料进行前面类似的实验研究．实验结果发位置时也都可以发现捏住金属棒的２４６８
声，并且具有上述的规律．表５是测量铝棒和铜棒得到的发声频率．
／表５Ｈｚ与手捏部位的关系 不同材质金属棒的发声频率ｆ
－２ ／／×１金属棒长度Ｌ２０ｍＬ
３ 实验初步结论
（）铝棒的发声频率与横截面积没有关系．１（）铝棒的发声频率与长度成反比关系．２
（）对于同一根铝棒，越靠近末端得到的声音３
设铝棒的发声频率频率越大，若捏住金属棒时，
２则捏住棒处得到的频率为ｎ为ｆｎ＝１、２、ｆ０（０，
２ｎ
３、４…）．（）在铝棒的任意固定点（波节）处摩擦时，发声４
的频率不是单一的，还包含了其他更高频率的声音．
（）材料不同的金属棒，捏住合适的固定部５位，摩擦时均可以使金属棒发声，而且捏住不同的
，对应的发声频率也不同．固定点（波节）
参考文献：
１ 张三慧．波动与光学［Ｍ］．北京：清华大学出版
社，２００２．［杜婵英．普通物理学教程力学（第２版）２ 漆安慎，Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．］王海云．关于铝棒发声问题的探究［３ 龙晓林，Ｊ．物理
（）：通报，２００８４１３－１５．
／４Ｌ ／／６Ｌ８ Ｌ
铝棒铜棒
００．１０７１ ００．０９８１
１７８７５７４３６１９３６ ３ ５ ８２２６４５３６７８６１１４ ４ ６ ９
（）收稿日期：０１５－１０－２８２
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