“水流导光”实验的实验装置如图1所示。本实验由于选材简单、操作方便、现象明显，是演示光的全反射现象的一个理想实验。然而要做好这个实验，却也并非易事，实验中很多看似细微的操作都有可能造成实验的失败。如何才能做好这个实验？本文将通过理论分析和实验验证两方面来探讨这个问题。

一、理论分析

如图2所示，在透明塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入适量清水，水就从小孔中流出。用激光水平射向小孔，当光在水流中传播时，如果从水中射向空气的入射角大于临界角C,光会发生全反射，于是光在水流中沿着锯齿形路线传播。这就是“水流导光”的原理。为了更容易观察到全反射现象，实验应增大光从水中射向空气的入射角，或者减小临界角C。

    改变光从水中射向空气的入射角的方法有两种：其一为改变激光的入射位置；其二为改变水流的弯曲程度。为了增大入射角，激光的入射位置应靠近水流的上方。实验中，由于激光是光束而非光线，而水流一般较细，因此改变激光的入射位置不是增大入射角的有效方法。增大入射角的另一个方法是改变水流的弯曲程度，这可以通过改变水流的从小孔的初射速度来实现。液面离小孔的高度越高，水流的初射速度就越大，水流弯曲程度就越小，全反射现象就越容易发生。

减小临界角C的方法有两种：使用频率较高的激光，用折射率更大的液体代替水。由于红色激光较易获得，而激光的频率对临界角C的影响又比较小，因此本实验通常采用红色激光。折射率比水大且实验室较易获得的透明液体有煤油、四氯化碳、苯等，其中四氯化碳和苯有毒，不建议采用。

所以，要想更容易观察到全反射现象，实验中可行的方法有：增加液面离小孔的高度差，改用折射率比水大的液体（如煤油）来完成本实验。

二、 实验验证

为了验证上述理论分析的正确性，笔者进行了相关实验。通过实验，笔者发现只要条件控制合适，用水也很容易完成本实验。在改变液面离小孔的高度差的实验中，笔者发现，液面过低或过高都会造成实验失败，这与上文理论分析的结论“液面越高，全反射现象越容易发生”矛盾。通过多次实验和细致的观察，笔者发现出现这种矛盾的原因是：液面太高时，水的流速过快，水流末端就会散开（即形成紊流）。

因此防止紊流的产生是做好本实验的重要前提。通过实验，笔者发现，液面过高、液面过低、小孔面积过大或小孔形状不规则都有可能形成紊流，造成实验失败，因此在实验中应避免出现这几种情况。

三、 结论

要做好“水流导光”实验，应注意以下几点：

一是，液面高度要合适，不宜过高也不宜过低；二是，小孔不宜过大，且尽可能做成圆孔：三是，在实验条件允许的情况下，可以采用折射率大的透明液体（如煤油）和频率更高的激光完成本实验。

为了让演示现象更明显，可在水中加几滴牛奶来展示水流中光路的弯曲情况。为了提高演示实验的观赏性，可将水流改成喷泉；同时安装多个不同颜色的光源，还可做出多彩喷泉的演示效果。

参考文献：

[1] 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-4)[M]•北京：人民教育出版社，2011：53.

[2] 张拓.光的全反射实验创新设计[J].延边教育学院学报，2012,(12):118-120.

[3] 赵显伟，贾想.水流导光——多彩喷泉演示仪的设计[J].新课程研究.职业教育，2008,(1):137-138.

注：发表在《湖南中学物理》  2015年5月  第30卷

统一刊号：ISSN 1673-1875

          CN 43-1041/O3