对“光的反射定律实验”及相关仪器的质疑与研究

“光的反射定律实验”是人教版初中物理教材中的一个实验。

一、 “光的反射定律实验” 存在的“矛盾”现象

1.教材的设计意图分析

从图1中的文字叙述“把NOF向前折或向后折（图1-1），还能看到反射光线吗？”中我们可以看得出，教材要的答案是“看不到”。

“离开这个平面就看不到反射光线”可顺理成章地得出“入射光线和反射光线在同一个平面”的结论。

2.完成“光的反射定律实验”出现“矛盾”的实验现象

图1的（图1-2）是把NOF向后折的情形，但把NOF向前折的情形却没有，图2所示就是把NOF向前折的实验情形。

从图2所示的实验中我们看到，当“把（图1中的）纸板NOF向前折”时能够在“NOF”纸板上看到反射光线。

在图1、图2所示的实验效果中，出现了向前折没有“反射光线”，向后折有“反射光线”两种完全矛盾的现象，这种矛盾的现象令实验无法得出“入射光线和反射光线在同一个平面”的结论。

二、从光线与平面的关系角度研究“光的反射定律实验”

根据直线与平面的关系可知：如果直线与平面相交，有一个交点，直线不在平面内。同理，如果光线（沿直线传播）与平面相交，也只有一个交点（亮点），光线也不在这个平面内。

逆向推理可得：在“光的反射定律实验”中，纸板平面上的亮线效果，实际上是由不在这个平面上的倾斜光线照射到这个平面形成的。

由此可见：

1.观察平面上的“亮线”，只能得出“产生亮线效果的光线都不在纸板平面内”的结论。

2.亮线EO和OF是倾斜光线照射到平面上形成的，把它们标识成“入射光线”和“反射光线”混淆了概念。

3.将光线照射到平面上形成的“亮线”标识成有方向的矢量线不符合逻辑。

三、“入射亮线”和形成“入射亮线”效果的光线都不是“入射光线”

“光的反射定律”揭示的是入射光线被物体表面反射后，反射光线与入射光线之间的关系。入射光线与反射光线是同一条光线的两个不同部分，这两部分以反射点为界，从光源发出到物体表面反射点部分为入射光线，反射点转折后的部分为反射光线。

1.“入射亮线”不是入射光线

光线是表示光传播途径的有方向的几何线，光线是看不见的。在“光的反射定律实验”中，看得见的所谓的“入射亮线”本身不是光线，也不是入射光线。

2.产生“入射亮线”效果的光线不是入射光线

“光的反射定律实验”现象中的“入射亮线”，是由一组光线直接照射到入射平面上形成的，形成“入射亮线”的这组光线照射不到平面镜上，它们也不属于入射光线。

“入射亮线”和形成这个效果的光线都不属于入射光线，它们不是“光的反射定律实验”应该研究的对象。

四、破解“光的反射定律实验”现象的形成原因

1.建立一条光线的物理模型并提出相应的假设

为了研究破解“光的反射定律实验”现象的形成原因，我们要建立一个只有一条光线的物理模型，如图3所示。

研究图3所示的光线模型和实验效果可知一条光线无法形成图1左图中所示的实验效果，只有一束光线才可以形成，在此基础上我提出“光的反射定律实验”效果形成的假设：

实验中的一束光线被“分工”成两部分，如“图4”所示。

第一部分：光线直接照射纸板入射平面（它们不能直接照平面镜）形成所谓“入射光线”的效果，它们被纸板反射后远离纸板而不会再回到纸板平面上来。

第二部分：光线直接照射平面镜（它们不能直接照射纸板）反射后投射到纸板反射平面形成所谓“反射光线”的效果。

2.实验验证假设

（1）自制点、条和点线形光源

自制的点、条和点线形光源及效果如图5所示。

（2）用点光源实验

分析用点光源进行实验的效果“图6”并得出结论：

第一，“图1”所示的“入射光线”和“反射光线”的实验效果是由一束光线的不同部分形成的，“图6”中左上角用纸板截住的只是直接照射到纸板上的那部分光线，纸板上的“入射光线”消失，而照射到平面镜上的光线不受影响，这部分光线被反射后照样形成所谓“反射光线”的效果。

第二，入射光线和反射光线本来是一条光线，只是照射到物体表面时发生了转折，如果入射光线消失，反射光线就不可能存在，可在这个实验中，入射光线消失，反射光线依然存在，说明这个所谓的“反射光线”根本就不是“入射光线”的“反射光线”，即“图1”中所示的OF不是EO的反射光线。由此推知，“图1”中关于“法线”、“入射角”和“反射角”的标识无法成立。

（3）用条形光源实验（等于加大了光束直径）

（4）用点线形光源实验（等于标识了光束的两个部分）

分析“图7”和“图8”的实验效果可知，“图1”所示的“入射光线”和“反射光线”的实验效果是由一束光线的不同部分形成的，也就是说“它们不是一条光线”。

以上三个实验表明：

在“光的反射定律实验”中，光源的一束光线被“合理分工”。一部分光线直接照射到纸板上形成了所谓的“入射光线”；另一部分光线照射到了平面镜上，反射后投射到了反射平面形成了所谓的“反射光线”。

这三个实验完全验证了前面作出的“假设”是正确的。

五、相关光反射定律的实验仪器

相关“光的反射定律实验”仪器都是用光线“倾斜照射”产生的效果，它们与“光的反射定律实验”具有相同的原理和错误。

六、研究结论

第一，教材中“光的反射定律实验”是一个制造假象的实验：过程是制造假象的过程，方法是制造假象的方法。

第二，教材中“光的反射定律实验”的“效果”不可当成得出“光的反射定律”的依据。

第三，相关的实验仪器与“光的反射定律实验”有相同的原理和错误。