八年级物理 光在同种非均匀介质中不一定沿直线传播的实验设计.doc

八年级物理 光在同种非均匀介质中不一定沿直线传播的实验设计

“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：
1、 开启手电，光屏上有静止的光斑。
2、 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。
3、 由教师分析或学生讨论探究实验现象产生的原因。
4、 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)2 dθ, dx= - 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=1/1000， x/D=50，x=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：
1、 为明显起见，图片中角θ己夸张，实际很小。
2、 本实验曾在河北省沧州市物理创新实验比赛中获一等奖。