实验研究光的反射定律.docx
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实验研究光的反射定律
光的反射定律
【目的和要求】
实验研究光的反射定律。
【仪器和器材】
学生光源，小平面镜，量角器，橡皮泥，白纸。
【实验方法】
一、入射角和反射角的关系
1．如图2．2－1所示，将量角器放在白纸上，将长方形小平面镜的长边放在量角器的直边上，同半圆的直径重合，在平面镜的背面用橡皮泥支撑着，使平面镜立在量角器上。
2．合上学生光源开关，让一束光射到平面镜上。
调节光源的位置，使这束光从量角器的上方射向平面镜，并恰好射到量角器的圆心处。
这时的法线是量角器的90°线。
在法线的另一侧，可以看到反射光线，入射光线、反射光线和法线在同一平面上。
观察入射角与反射角是否相等。
3．转动光源，让光线的入射角依次为60°、45°、30°，观察每一次的反射角的度数，将实验结果填入表2．2－l中。
入射角
反射角
60°
45°
30°
根据上面的实验总结出光的反射定律。
4．使光束沿量角器90°线射向镜面。
观察这时反射光束在哪里？
入射角和反射角各等于多少度？
二、转动平面镜对反射光线方向的影响
1．以量角器的圆心为中心，转动平面镜，但不转动量角器和光源。
这时入射角和反射角都在改变，记下镜面转10°、20°、40°、60°时，反射光线转过的角度以及相应的入射角和反射角填入表2．2－2中。
平面镜转过的角度
反射光线转过的角度
入射角
反射角
60°
20°
40°
60°
2．分析上面的实验结果并回答：
当平面镜转过一定的角度时，反射光线转过的角度是平面镜转过角度的多少倍？
反射角与入射角是否相等？
【注意事项】
当反射光线比较弱时，可将平面镜反射面向前倾斜一些，这时可以看到较明亮的反射光线。
【参考资料】
自制学生光源。
在小盒内用一个25伏的直丝灯泡作光源（由2节5号电池供电），它发出的光通过盛满清水的青霉素药瓶（作为柱状透镜）聚焦，调节小灯泡的位置可以得到平行光。
再用一个狭缝就可以得到一束光线。
【思考题】
若向平面镜中观看，还可以看到入射光线在平面镜中成的虚像，这条虚光线与镜面所成的角与光线的入射角有什么关系？
这条虚光线与反射光线在一条直线上吗？
为什么？
平面镜成像
【目的和要求】
研究平面镜所成的像的性质，以及像与物体和镜面之间的关系。
【仪器和器材】
小玻璃板2块，小蜡烛2支，小钥匙2把，橡皮泥2块，火柴，刻度尺，粉笔，黑纸（宽度只要比玻璃板稍宽即可，长度与桌面宽度相近），三角扳（或量角器）。
【实验方法】
1．如图2．3－l所示，将黑纸平放在桌面上，取一块玻璃板竖直立在黑纸中间，两下角用橡皮泥粘好。
2．点燃一支小蜡烛，竖直立在玻璃板前面的黑纸上，这时从蜡烛这边向玻璃板看去，可以看到玻璃板后有点燃的蜡烛像。
3．将另一支同样的但未点燃的蜡烛放到玻璃板后面，改变它的位置，直到从玻璃板前面各个角度看玻璃板后面，这支蜡烛都与点燃了的蜡烛的像重合为止。
4．用一张白纸放在玻璃板后蜡烛处（移去这支蜡烛），用眼睛直接观察白纸，看纸上有没有点燃的蜡烛的像。
平面镜所成的点燃的蜡烛的像是实像还是虚像？
5．用粉笔画下玻璃板及玻璃板前后两支蜡烛所在的位置。
移去玻璃板，通过两支蜡烛所在位置的圆心做一条直线，用刻度尺测量出两支蜡烛的圆心到玻璃板的距离。
用三角板的直角测量通过蜡烛圆心的直线与玻璃板是否是直角（或用量角器测量出所成的角度）。
6．改变玻璃板和蜡烛的位置，重复测量上述数据二次，填入自己设计的表中。
7．分析所得到的数据，对于像和物体的连线与镜面是否垂直，以及它们到镜面的距离是否相等，可以得出什么结论。
【注意事项】
1．黑纸是为了改善背景，以便容易找到像的位置。
2．实验中物体的尺寸可大可小，主要由玻璃板的尺寸决定，若玻璃板小，其他物体的尺寸相应也应该小一些。
橡皮泥可用粘土代替。
3．实验中要注意逐步总结出平面镜成像的规律。
【参考资料】
1．与镜面成一定角度的钥匙的像
用橡皮泥将玻璃板竖直立在黑纸中间。
取两把完全相同的钥匙，将其中一把用橡皮泥竖直地粘立在黑纸上，并使竖立的钥匙平面与镜面成一角度。
然后将另一把钥匙也用橡皮泥竖直地粘好并放在玻璃板后的像的位置。
画下两把钥匙和玻璃板的位置，观察钥匙缺口和它的像对于镜面是否对称。
2．物体在两平行平面镜间的像
将长的黑纸铺在桌面上。
在黑纸上用粉笔沿横向画两条相距约15－20厘米的平行线。
用橡皮泥将两块玻璃板立在两条平行线上。
将燃着的蜡烛放在两平行玻璃板的中间。
这时从中间分别向两个玻璃板望去，可看到每个玻璃板中都有许多蜡烛的像。
这些像的位置越来越远。
用另一支未点燃的蜡烛粘土橡皮泥，参照前面所讲的办法，先找出最近的像的位置（用粉笔标出像的位置）。
再由近到远找出其他各个像的位置，直到无法再画为止。
根据在黑纸上用粉笔标出的像的位置，找出这些像与物体和镜面位置之间的关系，看看能得出什么结论？
3．物体在两个构成某一角度的平面镜间的像
将黑纸铺在桌面上，用粉笔在黑纸上画一个60°角（用60°的三角板画即可）。
用橡皮泥将两块玻璃板竖直立在60°角的两条边上。
将燃着的蜡烛放在两块玻璃板之间。
这时从60°角之间分别向两个玻璃板望去，可看到每个玻璃板中都有几个蜡烛的像，用另一支未点燃的蜡烛依次找出各个像的位置，并用粉笔标出。
取去玻璃板和蜡烛后，以60°角的顶点为圆心，以蜡烛到顶点的距离为半径作一个圆。
蜡烛和它的像跟这个圆有什么关系？
光的折射
【目的和要求】
观察光的折射现象，总结折射现象的一些规律。
【仪器和器材】
学生光源，半圆柱状透镜，量角器，白纸。
【实验方法】
一、光线由光疏媒质进入光密媒质（光束由空气进入半圆柱状透镜）
l．在桌上放一张白纸，将量角器放在白纸上。
再将半圆柱状透镜放在量角器上，透镜的直边和圆心与量角器的直达和圆心相重合（图2．4－1）。
2．让光源射出的光束斜射到透镜的圆心上。
这时可以看到在入射点A处，有一条较暗的反射光线；另外还有一条较明亮的光线射向玻璃中（即由光疏媒质进入光密媒质）。
玻璃中的光线偏离了原来的入射方向发生了折射。
过A点垂直于透镜直边的90°线是过入射点A的透镜直边的法线。
改变入射角的大小，从量角器上测出入射角分别为60°、45°、30°时相应的折射角（入射角可用三角板或量角器来确定）。
并将结果填入表2．4－1中。
入射角
反射角
60°
45°
30°
3．观察入射角为零时的情况。
这时入射光线垂直干半圆透镜的直边射向圆心（图2．4－2），因而入射光线与法线重合，观察光线进入透镜后。
有没有发生折射。
这时的折射角多大？
由此可以得出什么结论？
二、光线由光密媒质进入光疏媒质（光束由透镜进入空气）
1．继续图2．4－1的实验，观察光线AB经过透镜后在与光流媒质（空气）交界处B点的折射情况；这时我们发现，光线AB经过B点时没有发生折射，进入空气后仍然沿着原来的方向前进。
这时的入射角多大？
由这个实验可以得出什么结论？
提示：
圆弧上某一点的法线是与过该点的切线相垂直的直线，因而与过该点的半径相重合。
光线AB既然是沿着半圆柱状透镜的半径方向，也就是沿着过B点的法线方向前进的，入射角是0°。
由这个实验可以得出以下结论：
当光线沿着半圆柱状透镜的法线（半径）方向从光密媒质（玻璃）射入光疏媒质（空气）进，即入射角为零时，光线的传播方向不变（不发生折射）。
2．继续图2．4－2的实验。
观察光线沿着半圆柱状透镜的法线（半径）方向到达与光疏媒质（空气）的交界点处并重新进入空气时，光线的传播方向变不变？
可以得出什么结论？
3．要观察到光线从半圆柱状透镜进入空气发生折射的一般情况，就要让光线斜向入射到远离透镜圆心的直边的一点c上，如图2．4－3所示。
这时可观察到，光线从光疏媒质（空气）进入光密媒质（玻璃）时，发生了第一次折射，这时的法线是过C点并与直边垂直的直线，折射角小于入射角。
当光线在透镜内沿CD方向前进到与空气的交界处D点时，发生了第二次折射，D点的法线是过D点的半径方向。
将本实验的光线方向、法线和透镜的形状在白纸上画下来后，对于光线由光密媒质进入光疏媒质时，折射角是大于还是小于入射角，可以得出什么结论？
【注意事项】
1．用半圆柱状透镜做光的折射实验，比较有趣，实验本身并不同难，主要难点是分析光线入射点处的法线方向，然后画出入射角和折射角。
因此实验前可直接告诉学生怎样确定法线方向。
2．本实验主要是定性观察，不要花太大精力测量角度。
【思考题】
用一束光向半圆柱状透镜的半圆面入射，将会看到哪几种折射现象？
试试看并画出光路来。
研究凸透镜的成像
【目的和要求】
实验研究凸透镜的成像规律：
当物距在一倍焦距以内时，得到正立、放大的虚像；在一倍焦距到二倍焦距之间时得到倒立、放大的实像；在二倍焦距以外时，得到倒立、缩小的实像。
【仪器和器材】
光具组，蜡烛。
光具组是专供初中进行光学实验的一种仪器。
仪器如图2．6－1所示，它包括3个三角形（或圆形）底座、凸透镜、烛台、毛玻璃屏及刻度尺。
【实验方法】
1．组装调整仪器
将各零件组装好。
然后以凸透镜中心高度为基准，适当调整毛玻璃屏和烛台火焰的高度，使它们的高度基本相等，并且利用三角底座，把它们调在一条直线上。
这个步骤称为“对光轴”，这一步骤在光学实验中是比较重要的，所以应特别重视。
2．实验
以凸透镜为基点，向烛台方向量出一倍焦距（即100毫米）、二倍焦距（即200毫米）的距离并作出标志。
将烛台放在距透镜大于200毫米的位置上，移动毛玻璃屏，使毛玻璃屏上出现烛焰清晰的实像。
观察这个实像，看它比实物是大了还是小了，是正立还是倒立的。
测出像距（即毛玻璃屏距透镜的距离），它与焦距、二倍焦距有什么关系？
（大于、小于或等于）
改变物距（物体到透镜的距离），按表2．6－1顺序进行实验。
把每次实验的结果记入表中。
物距u
像 的 性 质
像 的 位 置
正立或倒立
放大或缩小
虚像或实像
与物同侧与异侧
像距v
u>2f
u=2f
f
u=f
u
【注意事项】
1．有条件的学校可用光具座（J2507型或J2507－1型）和学生电源（J1202型或J1202－l型）代替光具组来完成这个实验。
2．在不具备遮光的条件下，用白屏代替毛玻璃屏实验，效果会好一些。
3．移动烛台和毛玻璃屏时，要注意保持它们的中心在一条直线上。
为此，可以在基座的一侧划一条直线，让基础侧面贴着直线移动。
【思考题】
1．用普通相机照相时，镜头对准了景物后，为什么还要调整焦距（俗称“调焦”）？
这是在调整透镜焦距的大小吗？
提示：
这是为了调整透镜的位置，使景物的实像恰好落在底板上。
并不是改变镜头的焦距。
2．照相机照出来的像，一般比实物小，这时景物到凸透镜的距离应在什么范围？
提示：
应在镜头两倍焦距以外。
研究萘的熔解过程
【目的和要求】
实验研究萘在熔解和凝固过程中的温度变化情况；了解晶体有一定的熔解和凝固温度；学习用图象来表述物理量的变化规律，并从图象上得出萘的熔点和凝固点。
【仪器和器材】
萘粉，温度计（0°－100℃）2支，酒精灯，方座支架（J1102型），石棉网，试管夹，烧杯（500毫升），试管，秒表（或手表），搅拌器（自制），双层试管（自制），图2．13－2），铜导热架（自制，图2．13－3），螺旋搅拌器（自制，图2．13－4），调温窗。
【实验方法】
方法一：
水浴加热的方法
1．安装器材
如图2．13－1所示，把搅拌器放入试管中，将一支温度计置于试管中间，液泡接近试管底部。
把萘粉压成粉末装入试管中（带粉的数量不可太少，应有少半试管）。
把试管装在支架上并使其装有萘粉的部分全部没入水中。
在支架上另悬挂一支温度计用于测量烧杯中的水温。
2．加热
用酒精灯结烧杯的水加热（为了减少加热时间，烧杯的水最好用70℃左右的热水）。
杯中温度升至75℃时应减小酒精灯的火焰使水温缓慢上升。
一般控制在水的温度比萘的温度高出4℃左右。
3．观察萘的熔解过程
每隔1分钟记一次萘的温度。
并注意观察试管底部的萘的状态变化。
当萘粉开始熔解时，用搅拌器搅拌，使上部萘粉落入萘熔液中。
直到萘粉全部熔解而且温度升高到85℃时，熄灭酒精灯，停止加热。
将记下的时间和温度写在自己设计的表格中。
4．观察冷凝过程
将试管取出置空气中，自然冷却。
可以看到萘液温度缓慢下降。
每隔1分钟记一次萘的温度，并注意观察萘的状态变化。
将数据记入表中。
5．整理器材
把试管直接放在酒精灯上加热。
待萘粉全部熔解之后抽出温度计。
把萘液倒在一块铁板上凝固回收。
整理好其他器材。
6．作温度图象。
以时间为横坐标，以温度为纵坐标作出时间一温度曲线。
从这条曲线可以看出萘在熔解和凝固前后的温度变化情况。
从曲线上找出萘的熔点和凝固点。
方法二：
辐射加热的方法
由于萘是热的不良导体，用水浴加热，常常是水温升得太快，而萘粉熔化不均匀，实验效果不好。
热辐射加热能避免上述缺点，保证了实验效果，而且缩短了实验时间（因所需萘粉也较少）。
1．实验所用双层试管如图2．13－2所示，内外两个试管间的距离没有严格要求，一般有几个毫米就行。
内试管可用一个盖子架在外试管上，温度计插在内试管下部的萘粉中。
所用萘粉较少，只须淹没温度计液泡上面1厘米左右即可。
2．整个实验装置的其他部分与图2．13－1相同。
3．实验方法与方法一大体相同，只是现在已不需要搅拌了，凝固后的试管则留待下次再用。
这个方法中，两层试管间只有空气，而空气是热的不良导体，萘粉主要是靠热辐射加热的。
正是由于这个原因，萘粉加热比校均匀，但萘粉不宜过厚，厚了热辐射不易穿透。
由于试管被密封实验中气味少。
方法三：
改进导热性能的方法
由于萘是热的不良导体，在加热过程中，萘受热不均匀。
以致于有的萘粉熔化了，有的还没有达到熔点。
为了改善实验时的导热性能，使萘受热均匀，可采用下列几种方法。
用6片L形铜片组成对称辐射铜片组，放在试管内，如图2．13－3所示。
然后均匀地放入萘粉，轴心处留有一孔，温度计插入其中以测量萘的温度。
由于外围铜片组从管壁吸热，沿着辐射状铜片向内传热，同时热量也迅速从管底向上传递，这样萘粉就能均匀受热。
（注意温度计不能贴到铜片上，萘粉要填实，并高出铜架上方2毫米左右）
2．螺旋搅拌器
如图2．13－4所示，将镀铅铁丝的一端敲成扁平，然后绕成塔状螺旋，螺旋的上部大，下部小，这样搅拌性能好。
在萘粉加热过程中，不断转动螺旋状搅拌器，也能使萘粉受热均匀。
方法四：
加调温窗
在烧杯上盖一个如图2．13－5所示的调温窗，也能改进实验效果。
调温窗的下部是一个开有两个大孔的盖，上部是一块能旋转的门，旋转它可以让孔全开或全部关闭。
当萘粉水浴加热时，最初将调温窗全部关闭，以便升温快一些，接近熔点时打开调温窗散热，以免温升太快。
实验时再注意控制酒精灯的加热，就能有效地控制实验的进程，改进实验的效果。
现在已有带调温窗的“萘的熔解实验器”商品供应。
观察水的沸腾
【目的和要求】
实验观察水的沸腾现象，认识沸腾是在一定的温度下发生的；同一种液体的沸点随液面上的气压而变。
【仪器和器材】
雏形瓶（带有橡皮塞，塞上有两个小孔），温度计（0－100℃），弯成直角的玻璃管，橡皮管，酒精灯，方座支架（J1102型），石棉网，两用气筒（J1008型，几组共用）。
【实验方法】
1．观察水的沸腾现象
（1）作好实验前的准备工作
锥形瓶的橡皮塞上预先打好了两个小孔，其中的一个小孔塞入温度计（应使盖上橡皮塞时温度计的下端浸在水的中部）；另一个小孔塞入弯成直角的玻璃管（玻璃管的开口应在瓶的上部空气中），然后在锥形瓶中倒入冷水。
冷水的高度应没过温度计下的玻璃泡而且离玻璃管口有一段距离。
放好方座支架、石棉网和酒精灯。
整个实验装置如图2．15－l所示。
（2）观察沸腾过程和沸腾温度
点燃酒精灯，锥形瓶中的水被加热，温度计的读数上升。
注意观察加热过程中水中气泡的出现和变化情况，直到沸腾。
发生沸腾时，记下温度计示数。
继续观察一段时间，看温度计的示数是否改变。
由此可得出什么结论？
（3）移出酒精灯几分钟后继续加热，观察上述结论有什么变化没有，为什么？
2．液体的沸点随液面上的气压而变
实验装置如图2．15－2所示。
上面的实验结束后，移开酒精灯（或熄灭），取下瓶塞。
向锥形瓶中添加适量的冷水，使水温在60℃以下。
重新塞紧瓶塞，将橡皮管的一端接在弯玻璃管上，另一端接在两用气筒的底部气嘴上。
要拿好气筒，以免不小心绊倒实验装置。
然后将酒精灯放到锥形瓶的下方，重新给水加热。
当水温上升到80℃以后，用两用气筒向外抽气，连抽了几次以后，就可以看到瓶里的水沸腾了，记下这时的温度计读数。
这时瓶里的气压是升高了还是降低了？
沸腾温度跟气压变化有什么关系？
从而得出结论：
由于瓶里的空气被抽出，瓶里的气压降低，水的沸点降低了。
然后再移开酒精灯（或熄灭），当水温下降、沸腾停止时，再用两用气筒缓慢地向外抽气，能否重新观察到沸腾现象。
在80℃以下的不同温度下重复做几次，记下自己得到的最低沸点。
【注意事项】
1．温度计下端的玻璃泡在瓶中的位置要适中，不能离瓶底太近，以免温度计直接受热。
2．瓶中的水要适量，特别是重复进行实验的过程中更要注意。
3．实验中要细心、认真，不要碰倒酒精灯、锥形瓶或实验装置。
4．由于各地气压随海拔高度不同而不同，因此各地的沸点也不同。
用两用气筒作抽气后的沸腾实验，由于气筒的性能有差别。
得到的结果也会不一样。
5．如果没有两用气筒，可用30毫升以上的注射器抽气。
6．温度越低，抽气的次数要越多，抽气的速度也要尽量快些，才容易观察到沸腾现象。
【参考资料】
增加液面上的压力沸点升高的实验
做这个实验时，要特别注意安全。
要用合适的橡皮塞，并对橡皮塞与瓶子的接触采取加固措施。
温度计则要用0－15℃的。
橡皮管则要接在两用气筒侧面的嘴子上。
当温度计读数超过100℃后（或其他正常的沸点读数），缓慢向瓶中打气，直到能看到温度计的读数有明显的上升为止。
由于气压大大会冲开瓶塞发生危险，所以做实验时一定要小心谨慎。
若发现异常则立即移去酒精灯并停止打气。
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