“测定玻璃的折射率”实验的再改进

张志春 彭朝阳

摘   要：系统分析了教材“测定玻璃的折射率”实验的不足，在确保实验精度前提下利用生活中常见器材对原实验装置做了进一步改进。改进后的实验装置成本较低，实验原理和方法更易为学生所理解和接受，同时极大地提高该学生实验的实施效果和效率，能有效缓解当前多数地区尤其是偏远农村地区实验器材短缺等问题。

关键词：折射;折射率;实验改进

引言

“测定玻璃的折射率”一直是高中物理学生必做实验之一。该实验在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中被安排在选择性必修1模块;从教材看以新人教版教材为例该实验位于选择性必修1第四章“光的折射”一节实验部分。对比新旧教材发现教材均对此实验所用仪器及操作步骤做了详细说明，实验所用方法皆为插针法。而有研究指出：结合教材和教师的引导，学生基本能习得运用插针法测定玻璃折射率的方法，大多数学生在学完这部分内容后，能“运用”规则，却不能“理解”规则背后的物理概念和物理规律[ 1 ]，即未真正理解插针法的实质：光在同种均匀介质中沿直线传播。究其原因：笔者认为是教材实验未能为学生呈现出直观的光的折射传播路径所致。

依教材方法和步骤进行实验后发现原教材实验还存在如下问题：①原实验中采用木板插针困难，有的学生一时心急随手拿起玻璃砖当锤子敲打[ 2 ]，操作不慎甚至会受伤或损伤玻璃砖;②原实验不能较为直观地呈现折射光线传播路径，学生只是机械操作，对为何要插针存在理解认知困难，不利于调动其学习热情;③随着入射角度增大，折射光强度会有所减小，观察到的大头针虚像也会变暗，用两只眼睛观察时很难判断不同大头针所成的像重合与否，只有在用一只眼睛观察时方可看见大头针重合的虚像，且入射角较小时会增大实验误差。

鉴于以上分析，笔者在教材基础上对原实验做了进一步改进，改进后的实验装置成本低，实验操作方便，现象直观明显，能有效促进学生对插针法实质的理解。

1  实验原理及方法

光从真空射入某种介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率[ 3 ]。根据光的折射定律sinθ1/sinθ2=n12知，要测定玻璃折射率，最直接的方法就是分别测量出入射角和光线经过玻璃砖折射后的折射角后代入公式进行计算求解即可。实验方法继承了教材所用的插针法，其实质为光的直线传播原理。

2  实验装置改进所需器材准备

装置改进所需器材有：激光笔，方形（或半圆形）玻璃砖，方形平整泡沫板，牙签一盒，A3纸若干，直尺，量角器，铅笔，科学计算器，圆规等。改进组装完成的实验装置如图1。

3  实验操作步骤及实验数据记录与处理

实验操作步骤：（1）将方形泡沫板水平放于桌面，并用牙签将A3纸固定其上;（2）把玻璃砖放于板的中间位置处再用牙签将其固定，并用铅笔沿玻璃砖两平行边缘画出直线a、a、;（3）打开激光使光束与玻璃砖两平行边缘成一定角度（非直角）平行于板面透过玻璃砖发生折射，此时并不能看见激光传播路径，因而才需用插针法来“寻找”;（4）在玻璃砖折射光路一侧离砖块较远位置，将牙签贴近纸面来回移动至人眼看见激光照在牙签上反射进入人眼，把此时牙签垂直插入板上;用另一根牙签在折射光路一侧靠近玻璃砖位置上来回移动至激光照在其上，并稍作调整至照在第一次插入的牙签上的激光被遮挡为止，把此时牙签垂直插入板上，用铅笔和直尺连接两牙签所在位置作为激光折射光路;（5）用同样的方法在玻璃砖入射光线一侧依次垂直板面插入两个牙签用来确定入射光的传播路径;（6）逐渐调整激光入射角度，重复以上步骤多做几次实验并对每次实验画出的出入射光路依次递增编号以便进行区分。取下玻璃砖，连接出入射点作为折射光路，再过入射点用虚线做出对应法线后用量角器测出对应入射角和折射角，并做好记录最后处理分析数据。

某次实验主要步骤和现象展示如图2：实验过程从左往右依次进行。

多次实验测量所得数据记录与处理结果如表1。

由表1可知实验测得所用玻璃的折射率为1.632，查阅资料[ 3 ]显示玻璃的折射率一般在1.5-1.8之间。这表明改进后的实验方法是切实可行，值得一提的是即使是在入射角很小的情况下也能确保实验的测量精度，这将拓宽数据的收集范围，使实验所得结论更具说服力。

4  实验改进优点及注意事项

实验改进后具有如下优点：（1）缩短了学生实验所用时间，提高了实验实施效果和效率;（2）用平整泡沫板及粗细均匀的牙签分别替代硬质木板和大头针，使实验操作更加安全、方便、快捷;（3）用平行度极好的激光作为光源，能快速直观地用插针法寻找到其传播所经路径，确定插“针”的范围，同时促进了学生对插针法实质的理解;（4）把A3纸及玻璃砖“固定”在泡沫板上，提高了实验装置和实验操作的稳定性，解决了原教材实验中纸张及玻璃砖容易滑动等问题。若无平整泡沫板，也可用更为常见的废旧纸箱上取下的纸板代替。

注意事项：实验过程中禁止用激光直射人眼;常见激光笔的光束直径均比大头针或牙签直径大，实验前应稍加改造使光束直径与牙签相同或略小于牙签直径，且泡沫纸板面积应大些，以便实验时使插入的牙签彼此间距较大，尽可能的减小实验误差。

参考文献：

[1] 刘紫微，魏舜芷，陈刚.促进学生理解的“测定玻璃折射率”教学[J].物理教师，2019，40（12）：50-53.

[2] 吴小瑾.做好“测定玻璃的折射率”学生实验的几个小技巧[J].物理教师，2011，32（11）：64.

[3]  人民教育出版社，課程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：45-46.