一个光在空气中发生偏折的小实验

一个光在空气中发生偏折的小实验利用J2531半导体激光器、火柴、蜡烛，可以观测到光在空气中会发生偏折的现象。在距离墙壁几米远（3米左右偏折现象就很明显了）的地方固定好激光器。点燃蜡烛，在激光器前慢慢晃动，可以看到墙上的亮线也会跟着晃动。（注：为了尽量排除烛焰内可能存在的对光的偏折有影响的物质的干扰，可适当降低烛焰的位置，使之始终处于激光器发出的激光束的下方。当然，若能改用不会改变空气成分的热得快等电热器给空气加热，那就能更彻底地排除可能存在的燃烧生成物对光束的干扰。）若光总是沿直线传播，那墙上的亮线应当固定不动。亮线随烛焰来回晃动，说明激光在通过热空气的过程中发生了偏折。仔细观察可以发现，在烛焰从左向右（由人面对墙壁上的亮线站立时的方位定左右）通过在激光束的正下方的过程中，亮线会先向右后又向左移动；反之，在烛焰在从右向左通过激光束的正下方过程中，亮线也会先向左后又向右移动。取两支激光器，将它们并放在一起，适当调整，使两条亮线间距尽量小，并使左侧激光器发出的激光在墙上留下的亮线也在左侧。让烛焰大致沿着一条斜线从下向上慢慢地移至两激光器的中间，可以看到两条亮线会略微分开。为什么会这样呢？空气越稀薄，空气的折射率就越低。这样，光在通过不均匀的空气的过程中，会向空气较密集的一侧偏折。这一点可由折射定律推出。这一点也是当我们在清晨看到太阳从地平线上刚刚升起时太阳的实际位置却还在地平线之下、晚上看星星时有时星星会眨眼等的原因。由于热胀冷缩，烛焰附近的空气不是均匀的，且大致说来，在烛焰的上方，越靠近烛焰的地方，空气就越稀薄。因此，当激光束从烛焰的附近通过时，激光束就会向远离烛焰的一侧也就是空气较为密集的一侧偏折。具体地讲，在烛焰从左向右通过激光束的正下方的过程中，开始时烛焰在激光束的左侧，激光束经过处的右侧空气较密集，左侧空气较稀薄，激光束向右偏折；在烛焰通过激光束的正下方后，激光束经过处的左侧的空气就变得比其右侧的空气要较密集一些，激光束又开始向空气较密集的左侧偏折。当烛焰远离激光束时，烛焰对激光束经过处的空气几乎没有什么影响了，激光束经过处的空气也就又变均匀了，墙上的亮线也就又回到了原来的位置。这也就是墙上的亮线会向先向右后又向左最终又回到原来位置的原因。最后在上述分析的基础上再简要地归纳总结一下所观察到的实验现象。在烛焰从左向右通过激光束的正下方的过程中，开始时烛焰在激光束的左侧，故激光束会向远离烛焰的右侧偏折；在烛焰通过激光束的正下方后，烛焰又处于激光束的右侧，故激光束又会向远离烛焰的左侧偏折。这样，在烛焰在激光束的正下方左右晃动的过程中，激光束也会跟着左右晃动。从上述的分析还可看出，虽然二者晃动时的步调并不一致，或者说存在位相差，但晃动的频率却相同。实验观测到的结果也是这样的。当烛焰处于两条大致平行的激光束的中间时，处于烛焰左侧的激光束会向远离烛焰的左侧偏折，处于烛焰右侧的激光束会向远离烛焰的右侧偏折。这样，两激光束也就会略微分开一点。后记：在继续教育远程学习中，一位同仁发帖说学生很难理解在一般情况下光在非均匀介质中沿曲线传播的现象，问有没有能直接演示光在非均匀介质中沿曲线传播的实验。能直接演示光在非均匀介质中沿曲线传播的实验我没见过也没听说过，不过我想通过实验说明光在非均匀介质中会发生偏折应当并不难。最容易获取的非均匀介质显然是空气。稍稍加热，热源周围就可以得到一团非均匀空气。当激光通过这团有规律变化的非均匀气团时，光束会发生微小的偏折。这一微小的偏折应当能致使激光束落在较远处的光斑的位置发生一个可观察到的位移。实际动手一做，果然如此。认真观察后很快发现墙上亮线随烛焰移动的规律。仔细想想，不仅很快就明白其中的缘由，而且推测出若烛焰处于两平行激光束的中间，那墙上的两条亮线将会略微分开一点。赶到实验室和实验员一起试了试，墙上的两条亮线果然略微分开了一点。回到办公室，特意查了查各种气体的折射率，发现不同气体的折射率相差很小很小。这么小的差异能由上述的实验检测出来呢？例如，常见气体中二氧化碳的折射率与空气的折射率的差值最大，若让一束激光通过已经组装好的准备收集二氧化碳气体的集气瓶的一侧（注：若集气瓶是理想的，那由光的折射定律不难看出，激光束离集气瓶的中心越远，对应的偏折就会越大），记下墙上亮线的位置后，再通入二氧化碳气体，观察墙上的亮线，会移动吗？由气体又想到液体。不同浓度的盐水、糖水、酒精等的折射率相差大不大呢？也许也可利用上述的实验进行比较。若能认真测量，说不定可以总结出定量的规律。进而又想，若将蜡烛换作酒精灯、酒精喷灯，或将高度压缩的空气喷向激光束，实验效果又会如何呢？显然上述的一系列问题都可放手让学生去探究，学生在探究过程中也一定会产生一系列有趣的问题的。大物理学家费米曾指出“太多形式化的东西不是不可能出物理，只是出物理的可能性常常很小”。当前物理教学的一个大的弊端就是与实际联系的东西太少，“形式化的东西”太多，致使学生学起来乏味、困难，致使学生不会提问。若物理教学能多与实际结合，具体点、生动点，那学生学习物理一定会轻松、有趣、充实很多，学生提出的问题也一定会丰富有意思很多。