光在同种非均匀介质中不一定沿直线传播的实验设计.doc

光在同种非均匀介质中不一定沿直线传播的实验设计河北省海兴县第二中学姜金广“光在同种均匀介质中是沿直线传播的”为了便于学生理解强调介质的均匀性各种教材上都给出光在同种非均匀介质中不一定沿直线传播的一些例证如早晨太阳光在不均匀的大气中沿曲线传播、海面与沙漠上空的空气不均匀造成的海市蜃楼、夜空中的星星为什么会摇曳眨眼睛等。由于这些自然现象涉及光程很长在实验室中无法模拟。虽然可以通过电教手段播放相关的动画、录像但给人的感觉总是不够真切如何让学生在实验室中（甚至在讲桌上）亲眼看到“光在同种非均匀介质中不一定沿直线传播”这种现象呢？为此笔者设计了下面的实验。实验目的：演示“光在不均匀的空气中的传播方向会发生改变”。实验器材：市售激光手电一只（要求聚光较好1m外光点直径φ在2mm以内）方座支架一套白纸屏（水平长度不小于20cm）一块电加热器（500W小电炉即可）一台设计思路：加热器上方的空气受热膨胀密度变小与周围空气产生对流光通过加热器上方不均匀的空气时传播方向就会发生改变。器材组装：如图1把激光手电水平固定在方座支架上其高度与光屏中心平齐调节光屏的角度使光屏与光束接近平行成一个很小的角度θ在光屏上得到一个长约10厘米的光斑各器材的距离可大致如图所示电加热器安放在光路的下方。演示过程：开启手电光屏上有静止的光斑。开启电加热器光斑在屏上左右移动移动幅度一般有数厘米现象明显。由教师分析或学生讨论探究实验现象产生的原因。师生共同归纳总结。原理分析及改进建议：实验中光束通过加热器上方时的偏转角非常小（通常只有千分之几个弧度千分之一弧度约为0.06度）人眼直接观察不到实验的思路是把微小的变化放大原理如图2加热点到光斑的横向距离x=Dcotθ光斑位移dx=-D/(sin2θ)dθ当θ很小时sinθ≈tanθ=D/x于是dx=-D/(D/x)2dθdx=-x(x/D)dθ这样我们可以得到一个近似计算式：Δx=x(x/D)Δθ由此可见加热点到光屏中心的距离x越大x与加热点到光屏的纵向距离D的比值越大（即角θ越小）光线的水平偏转角越大（空气越不均匀折射越明显）光斑移动的幅度Δx就越大。当然以上仅为简单的近似分析同行们可以根据实际情况确定器材的装配方案以期达到较好的实验效果。一般地若Δθ=1/1000x/D=50x=1m屏上光斑长度（图3）a≈φx/D=2mm×50=10cm而光斑移动幅度Δx=1m×50×(1/1000)=5cm现象非常明显。附：为明显起见图片中角θ己夸张实际很小。本实验曾在河北省沧州市物理创新实验比赛中获一等奖。