挪威的留坎鎮位于陡峭的峽谷中,冬季陽光被高山阻擋,導致小鎮數月處于陰影中。2013年,當地政府在山頂安裝了巨大的可調節鏡面,通過反射陽光來照亮鎮中心廣場。鏡面如何精確反射陽光？光的反射遵循哪些規律？讓我們通過實驗揭開其中的科學原理。
實驗目的
1. 認識光照射到物體表面會改變傳播方向,形成反射現象。
2. 了解光的反射定律,應用反射定律作圖。
實驗準備
平面鏡,可折疊的白色半圓形硬紙板(中間0°處有一條折痕,作為法線位置標記為N,標有角度的一側為E,空白一側為F,如圖1-1所示),激光筆,量角器,直尺,噴霧瓶等。
實驗過程
一、觀察光的反射現象
在桌面上放一個平面鏡,將激光筆發出的光束射到平面鏡上,利用噴霧瓶噴出的水霧顯示光路,觀察光的傳播方向的變化情況。
注意
使用激光筆時禁止照射眼睛。
激光束路徑如圖1-2所示,圖中O點為入射點,經過入射點O并垂直于反射面的直線ON叫作法線。AO為入射光線,OB為反射光線,入射光線AO與法線ON的夾角α叫作入射角,反射光線OB與法線ON的夾角β叫作反射角。
那么,反射光線的位置與入射光線、法線有什么關系呢？
二、探究光的反射定律
1. 把平面鏡M放在水平桌面上,將半圓形硬紙板ENF豎直放置在平面鏡上,紙板由可繞ON折轉的E、F兩板組成,紙板上的直線ON垂直于鏡面。
2. 打開激光筆,使一束光沿E板平面照射到O點,在F板上觀察反射光。將F板繞ON向后折轉,如圖1-3甲所示,在F板上還能看見反射光嗎？這一現象說明了什么？______。
3. 使E、F兩板處于同一平面,如圖1-3乙所示,讓一束光貼著紙板以30°入射角射向平面鏡,經過平面鏡的反射后,在紙板上用筆描出其反射光的路徑。改變入射角為45°、60°,重復以上實驗。
4. 取下硬紙板,用量角器量出每次實驗的反射角度數,記錄數據于表1-1中。
表1-1 記錄表
| | 第1次 | 第2次 | 第3次 |
| 入射角 | 30° | 45° | 60° |
| 反射角 | | | |
5. 根據上述實驗現象及數據,你能得出什么結論？______
三、驗證光路可逆
若將入射光沿原反射光的路徑逆向射向平面鏡,此時反射光會沿什么方向傳播？請動手做一做。
四、實驗評價
利用表1-2對實驗過程進行評價。
表1-2 探究光的反射定律評價量表
| 評價指標 | 評價內容(請根據真實表現判斷,做到的在“是”欄畫“√”,未做到的在“否”欄畫“√”) | 自我評價 | 小結 |
| | | 是 | 否 |
| 實驗安全 | (1)能規范使用激光筆,不得用激光筆照射眼睛 | □ | □ |
| 實驗操作 | (2)硬紙板ENF與水平桌面保持垂直 | □ | □ |
| | (3)激光束貼著紙板傳播,在紙板上能清晰呈現光束的傳播路徑 | □ | □ |
| | (4)將F板繞ON向后折轉后,F板上不能觀察到反射光束 | □ | □ |
| 實驗記錄 | (5)能準確標記反射光線的路徑 | □ | □ |
| | (6)能準確測量反射角的度數 | □ | □ |
| 實驗習慣 | (7)實驗結束后,整理實驗器材 | □ | □ |
思考與討論
1. 現有如下四種硬紙板：A.黑色且光滑；B.黑色且粗糙；C.白色且光滑；D.白色且粗糙。選用哪種硬紙板能使實驗效果更明顯？為什么？______
2. 實驗過程中為了更方便地記錄反射角和入射角的度數,有同學建議將硬紙板做成量角器的形狀并標上刻度。請選擇圖1-4中最合適的標注方式,并簡述理由。
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3. 如圖1-5所示,如果硬紙板ENF與平面鏡處于非垂直狀態,那么當AO沿面板E入射時,在面板F上能否觀察到反射光線？為什么？
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拓展研究
如圖1-6甲所示的自行車尾燈,其內部通常由許多相互垂直的小玻璃片組成(結構示意圖如圖1-6乙)。夜間騎行時,當后方汽車的燈光照射到尾燈上,尾燈會顯得格外明亮,提醒司機注意前方有自行車。為什么會有這樣的效果呢？請在圖1-6乙中作出后車燈光照在自行車尾燈時的反射光路圖,并簡單闡述原因。
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