光线的反射，折射和内反射研究外文翻译资料

光线的反射，折射和内反射研究

原文作者：P C Lanchester

单位：物理与天文学院，南安普敦大学，南安普敦 SO17 1BJ，英国

摘要：本文通过一个简单廉价的装置和相关的实验来研究光在空气与玻璃界面上的反射和折射的基本规律，以及在玻璃块中的多次内反射。为了激励学生，并鼓励他们积极参与，采用了一种新颖的技术即通过观察多次内反射来确定玻璃块的折射率。由于研究的意图相类似，本文还为教师们准备了一些指导性的标注。

1.绪论

在英国，大部分准备好接受更高级教育的学物理的学生一般都知道光的反射、折射和全内反射的基本规律，但根据我们的经验，学生很少有这方面的实践经验，我们发现，在实验室的第一年中值得介绍关于这一主题的几个基本实验和一组与此主题有关的几何光学链接实验讲义同步。在此过程中所有的实验都由学生单独完成，高达18组的学生单独执行相同的实验，并在同一时间记录所需要的相应的装置中的数据。一应俱全的合适的仪器对于光学的基本规律的研究是非常有利的，而根据它所需要的数量，我们发现它的成本也相对合算。详细情况在下面的一节介绍。

为了提高学生的动力，避免被认为是一项无关紧要的练习，我们首先在平坦平面上进行反射和折射的简单研究，其次是研究稍微更具挑战性的涉及的光的内部反射的实验，观察光线穿过玻璃的现象。这就要求学生了解实验中发生了什么，所得结果可用于确定玻璃块的折射率。为了获得良好的结果，它也需要精心设置的装置。

2.设备

如图1和附带的照片（图2），调查的对象是矩形的玻璃或尺寸的长度（l）times;宽度（w）times;厚度（t）〜120毫米times;70毫米times;20毫米的丙烯酸材料的物块。实验所需要的光线是由2AAA电池供电的1毫瓦红色激光胶囊提供。激光胶囊被居中安装在可在水平面内绕轴旋转的臂上，使得激光束能够以可变的角度入射在玻璃块上转轴的位置上。为了便于入射角的测量，所采取的激光束的线的标志是在臂的相应行上，它被安装时，其下的透明塑料150毫米量角器固定于底板，其中心与转轴点重合。这样一来在臂上的基准线就可以通过量角器被查看，并且入射角读出。反思观察垂直固定在水平底座上的可以附着在量角器滑动底板连接的小白色屏幕。作为入射角的测量，在基片的基准线上可以通过观看量角器，并通过反射角度读出角度。

图1. 与宽度w的玻璃块的装置的垂直于所述激光束在垂直入射的原理图。反射的角度可直接读出。折射角可以通过测量y推断，theta;_t =tan^-1(y/l) 。由虚线指示的玻璃块的替代方向扩展了折射测量的范围。

激光器应安装在能使得光线遵循给其所连接标记在臂上的线的轨迹。在实践中，这意味着旋转臂上的激光胶囊的位置和方向需要预先调整，这可以通过将激光胶囊塞入一个挖了孔的铝块来完成，铝块上孔的直径与激光胶囊的长度相符合。如图2所示，该胶囊的位置和取向可以通过横向夹紧螺钉调整装置。它有助于通过一直径1毫米的一块铜垫片粘在铝块端钻孔减少激光器产生光束的入射直径。

图2的装置设置用于观察光的全内反射。

表1.用于在空气–玻璃界面光的折射数据，theta;_t =tan^-1(y/ l) ，l = 116毫米。

图3.绘制sintheta;_i -- sintheta;_t图。折射率= 1.50plusmn;0.02。

3. 实验1：入射光在一块玻璃上的反射和折射

本实验的目的是在一个平面空气–玻璃界面探索反射和折射的基本规律。参照图1，这要求测量反射的角度theta;_r和折射的角度theta;_t作为入射角度theta;_i的函数。所提供的玻璃块是正确对齐，入射角度theta;_i可以从量角器直接读取。同样的，如果调整白屏使反射光线落在参考线的上面，反射theta;_r角度可以通过量角器读出。如图 1成立，判定折射的角度，需要l和y的测量：theta;_t = tan^-1 (y / l)。

在确定了一些入射角对应的反射和折射的角度后，从原始数据来看，入射角和反射的角度相等应该是不言自明的，同时，对于折射光线，sintheta;_i -- sintheta;_t的线性关系的斜率等于该玻璃的折射率的倒数。一个典型的数据集用于定向与宽度w垂直于激光光束在法向入射（如图1）的玻璃块示于表1中，并绘制在图3的折射率所得到的值为1.50plusmn; 0.02。

图4.多个内部反射（m = 1-4）在长度l = 113毫米和厚度t =17.86毫米的玻璃块内部。

4. 实验2：全内反射

如果光入射到玻璃 - 空气界面处的角度大于临界角，则发生全内反射。该实验的目的是要观察到，经历不同次数的全内反射的，这取决于激光束光线的入射角。该结果可被用于确定该玻璃的折射率。

最初，应该选定玻璃块的方向，使其平行于激光束中心位置（在量角器即90°），使得入射光束在平行面之间折返，这样一来内反射就可以被观察到。提供这些面垂直于通过该激光束进入块中的面部，光束会出现集中在相对端。作为光束的入射角增加时，光在玻璃块中从一侧移动到另一侧，周期性地返回到中央位置，如图4所示，如果入射角的量发生这种情况是指出，随后的角度对应的折射的角度可以通过几何形状简单推断，推导出一组结果为玻璃的折射率。典型的结果如图4和表2所示，折射率= 1.52plusmn;0.02，与通过直接观察的折射率，即实验1中获得的数值符合的很好。

表2. 从一系列多个内部反射的观察而获得的玻璃块的折射率的结果。

5. 教师注意事项

虽然上述实验是非常基本的概念，其中的一些思想也是为了获得良好的效果，但它只是建议，而不是提供一套全面的从一开始的指令，它是指导学生在讨论如何去获得最好的数据。例如：

5.1. 实验1，面对入射光的玻璃块应位于枢轴侧，其取向是垂直设置为0°激光束（即90°在量角器）。如何解决这个问题呢？

实现玻璃块的正确定位的最简单方法是使用激光在0°，并定位该玻璃块使光点反射与它在铜垫片的孔重合。

5.2. 在折射实验中应如何放置玻璃块？

为了获得最大的检测精度y值，因此theta;_t对于一个给定的入射角折射光线在玻璃内部所经过的距离应尽可能大，这表明定向的玻璃块，长度l是平行的激光束正常入射时的距离。此外，获得的数据的角度的入射光进入块在面对入射光一侧的边缘尽可能广泛的范围，如图1所示。即便如此，这种配置的玻璃块的有限宽度的限制，相应的theta;_t可以得到约40°的入射角范围，为了获取数据较大的入射角要旋转玻璃块虽然90°使宽度W是平行的激光束垂直入射时，由图1之中的虚线轮廓表示。

5.3. 在折射实验中如何测量相关的玻璃块尺寸和y的值？

该玻璃块的尺寸可以用游标卡尺来测量。y的测量可以通过将1毫米方格纸的条带，用透明胶带贴在玻璃块上，使得所发射的光线出现在该点可通过纸张的观察可以变得容易，并读取从上规模y的值方格纸。它也检查方格纸尺度的准确度，并且应当注意，以确保的方格纸的条带是无处不在的覆盖玻璃，这将是该情况下紧密接触，如果透明胶带图形的条带重叠纸。（同样的方法也可以用于定位在内部反射的实验入射光线）。

5.4. 应如何在放置的玻璃板上进行内部反射的实验？

为了观察多次内部反射的最大数目，则入射光线应尽可能接近平行面之间所反映的，并透过玻璃块遍历的最大可能距离。因此，应设置为在图2中利用激光束设置为0°（在量角器90°），最长尺寸应设置平行的光束，和横向的梁块的位置应使入射光线进入中间，总的内部反射在平行的侧面发生（图4。）提供的玻璃块准确加工，垂直于在内部反射发生平行边比~0.2°的入射面更好，在前表面的入射光束的反射应与源一致，和光应该出现的块没有偏差（即在平行面在内部反射之间发生）。进一步的，所观察到的行为的内部反射光作为激光旋转应与正常位置对称。

注意事项。我们已发现，在英国通常可获得的玻璃块，其中可能有一两个入射面和平行面在其发生内反射时产生的误差可以达到1.5°。这导致了由于不对称的观察角度产生入射光的中点在玻璃块的末尾的复杂的结果。因此最好是检查所有玻璃块的两端对准的精度，例如通过直立站立块放在一个平面上沿着一个三角板。用这种方式测试20块玻璃块，15块被发现至少有一个可用端，而另外5块则没有。（我们在使用常用的丙烯酸块时没有经历过同样的困难，这似乎是因为制造工艺更准确了。）

致谢

我很感谢我们的机械车间先生M斯库利为教学实验室制作20套设备。

收到二○一四年三月二十零日，修订后的2014年5月9日

接受出版2014年5月28日

Doi:10.1088/0031-9120/49/5/532

外文文献出处：

P C Lanchester. Studies of the reflection, refraction and internal reflection of light [J]. Physics Education, 2014, 49(5): 532-536.

附外文文献原文：

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