系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王志永 郝翠華

一、問(wèn)題的提出

對(duì)于剛剛接觸物理的初中生來(lái)說(shuō)，要準(zhǔn)確理解光的折射、反射現(xiàn)象和規(guī)律，只有通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)總結(jié)歸納，才會(huì)有深刻的認(rèn)識(shí)。所以光的折射、反射演示實(shí)驗(yàn)成功與否，將直接決定學(xué)生是否能夠接受和理解相關(guān)知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，但仍存在實(shí)驗(yàn)操作麻煩、部分學(xué)生不能直接讀出入射角和反射角等問(wèn)題，未能達(dá)到良好的演示效果。

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，更加方便地演示光在空氣和其他介質(zhì)之間的折射、反射現(xiàn)象，系統(tǒng)探究光的折射、反射規(guī)律，直觀地觀察光的折射、反射現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示儀。該儀器由“雙環(huán)式”曲面反射演示儀、“旋轉(zhuǎn)測(cè)角式”反射折射演示儀、“翻板式”多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示箱組成。

二、制作材料

木板、冷軋KT板、反光膜、玻璃磚、激光筆、平面鏡、凹面鏡、凸透鏡、凹透鏡、水槽、三棱鏡、漫射板、玻璃、煙霧發(fā)生器等。

三、制作與應(yīng)用

1.“雙環(huán)式”曲面反射演示儀

在曲面鏡反射的演示實(shí)驗(yàn)中，一般使用凸凹鏡演示，本裝置用圓環(huán)粘貼反光膜的形式代替凸凹鏡，小圓環(huán)的內(nèi)側(cè)代表凹面鏡，外側(cè)代表凸面鏡。在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，紅外線從左側(cè)通光孔射入，光線在小圓環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次凹面鏡反射；紅外線從右側(cè)通光孔射入時(shí)，光線在月牙環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次凸、凹面鏡反射。

“雙環(huán)式”曲面反射演示儀內(nèi)部由雙環(huán)套疊而成，外邊是正方形外殼，尺寸為34 cm×34 cm。在箱體和雙環(huán)的左右兩側(cè)各開(kāi)2個(gè)通光孔。正面用玻璃密封，上面粘貼刻度盤。演示儀設(shè)計(jì)寬度為6 cm。

(1)雙環(huán)構(gòu)造(如圖1所示)

外環(huán)直徑30 cm，內(nèi)環(huán)直徑15 cm，寬度為5.5 cm。內(nèi)部的雙環(huán)兩側(cè)粘貼反光膜。兩環(huán)在大環(huán)內(nèi)相切，用小螺絲固定，相切的部分開(kāi)2個(gè)通光孔。

圖1

圖2

(2)箱體構(gòu)造(如圖2所示)

箱體為34 cm×34 cm×6 cm。把雙環(huán)黏合在箱體底板上，正面黏合玻璃，密封防止漏煙。玻璃上面粘貼刻度盤，刻度盤的內(nèi)徑為30 cm×30 cm，與外環(huán)的直徑相同。

(3)煙霧發(fā)生器構(gòu)造(如圖3所示)

圖3

煙霧發(fā)生器主要由核桃露空桶制作，下部取3 cm×5 cm的區(qū)域打孔后沿邊緣切開(kāi)，向內(nèi)彎曲作為熏香燃燒器，再做一個(gè)稍大于桶直徑的薄鐵圓環(huán)，作為風(fēng)門封閉器，用于控制風(fēng)門的大小，控制熏香的燃燒速度，上部連接導(dǎo)管，往演示儀內(nèi)通煙霧。

(4)實(shí)驗(yàn)操作(如圖4所示)

圖4

點(diǎn)燃熏香，放入燃燒器內(nèi)，送入演示儀，燃燒一段時(shí)間。用紅外線激光筆從通光孔射入，光斑在內(nèi)環(huán)的內(nèi)側(cè)形成凹面鏡反射，外側(cè)形成凸面鏡反射。由于雙環(huán)的內(nèi)外側(cè)粘貼有反光膜，所以演示儀內(nèi)形成多條光線相互反射的奇特現(xiàn)象。

該儀器既能演示單條光線的反射光路，又能演示平行光線的反射光路。在煙霧充足、角度適當(dāng)?shù)臈l件下，演示儀內(nèi)會(huì)出現(xiàn)布滿紅外線的奇妙景象。

2.“旋轉(zhuǎn)測(cè)角式”反射折射演示儀

“旋轉(zhuǎn)測(cè)角式”反射折射演示儀為由半圓形磨砂玻璃和多層KT板疊加黏合而成的圓形結(jié)構(gòu)，外側(cè)為正方形面板，上有刻度盤；內(nèi)部的圓形結(jié)構(gòu)外側(cè)是旋轉(zhuǎn)式環(huán)狀結(jié)構(gòu)，上面開(kāi)有通光孔；通光孔上部安裝紅外線激光筆固定裝置；激光筆可以圍繞圓形結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，光斑直射在半圓形磨砂玻璃的圓心處，隨旋轉(zhuǎn)的角度不同，入射角不同，根據(jù)刻度盤可以直觀地讀出入射角、折射角和反射角。

(1)圓形面板與弧形面板構(gòu)造(如圖5所示)

圖5 內(nèi)部構(gòu)件圖

圓形面板直徑30 cm×30 cm，弧形面板弦長(zhǎng)15 cm，制作3片疊加，黏合半圓形磨砂玻璃。

(2)圓環(huán)形面板與轉(zhuǎn)環(huán)構(gòu)件(如圖6所示)

圖6 轉(zhuǎn)環(huán)構(gòu)造圖

圓形構(gòu)件外徑30 cm×30 cm，內(nèi)徑25 cm×25 cm；轉(zhuǎn)環(huán)直徑30.4 cm，黏合激光筆固定器。

激光筆固定器為等腰三角形，底邊切成弧形與轉(zhuǎn)環(huán)吻合，腰長(zhǎng)為10 cm。

(3)基本構(gòu)件組裝圖(如圖7所示)

(4)煙霧發(fā)生器構(gòu)造(同前)

(5)實(shí)驗(yàn)原理及操作

點(diǎn)燃熏香，放入燃燒器內(nèi)，送入演示儀，燃燒一段時(shí)間。用紅外線激光筆從通光孔射入，光斑半圓形磨砂玻璃的圓心處，外側(cè)形成鏡面反射，磨砂玻璃內(nèi)部形成折射，通過(guò)刻度盤可以直觀地讀出光線的入射角、折射角和反射角。

3.“翻板式”多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示箱

圖7

“翻板式”多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示箱由箱體、玻璃磚、三棱鏡、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡、凸透鏡、凹透鏡、小水槽、熏香燃燒器等構(gòu)成。箱體分內(nèi)外兩層，外層為演示箱，內(nèi)層為倉(cāng)儲(chǔ)箱；箱體的左右兩側(cè)開(kāi)有通光孔，用于安放激光筆。箱內(nèi)可以同時(shí)放置多種實(shí)驗(yàn)器材，可以根據(jù)需要翻動(dòng)翻板，把所需儀器由倉(cāng)儲(chǔ)箱送入演示箱，進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于箱底黏合平面鏡，隨時(shí)都可以做光的反射實(shí)驗(yàn)。

(1)箱體構(gòu)造(如圖8所示)

圖8 翻板式多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示箱

箱體尺寸為42 cm×20 cm，由隔板分為內(nèi)外兩箱，其中倉(cāng)儲(chǔ)箱9 cm，演示箱10 cm，隔板厚為0.5 cm。側(cè)面各有2個(gè)通光孔。

(2)翻板構(gòu)造(如圖9所示)

圖9 翻板構(gòu)造圖

翻板為三角形，大小與隔板上的矩形孔吻合；上部黏合或用小螺絲固定光學(xué)儀器；背面有固定孔，與隔板相連接。

(3)隔板構(gòu)造(如圖10所示)

圖10 隔板構(gòu)造圖

隔板尺寸為42 cm×20 cm，上面開(kāi)5個(gè)矩形孔，大小與翻板吻合；右側(cè)開(kāi)有圓形孔，上面固定三棱鏡；中間畫有量角器，便于測(cè)量入射角與反射角。

(4)演示箱背面構(gòu)造(如圖11所示)

背面開(kāi)有兩門，上部用于操控各種儀器；下部用于放置水槽。圖11a為展開(kāi)圖，圖11b為封閉圖。

圖11 翻板式多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示箱背面圖

(5)演示箱正面構(gòu)造(如圖12所示)

圖12

(6)實(shí)物圖(如圖13所示)

圖13

(7)實(shí)驗(yàn)原理及操作

將實(shí)驗(yàn)所需儀器翻入倉(cāng)儲(chǔ)箱，根據(jù)需要可以翻出一件或多件儀器。點(diǎn)燃熏香，放入燃燒器內(nèi)，通入演示儀。用紅外線激光筆從通光孔射入，根據(jù)需要照射所需實(shí)驗(yàn)儀器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

四、創(chuàng)新點(diǎn)及其意義

(1)采用紅外線激光筆作光源，極大增強(qiáng)了光源亮度，為實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)度和實(shí)驗(yàn)效果提供了保障。

(2)“雙環(huán)式”曲面反射演示儀。采用黑色KT板做光屏顯示光的傳播方向，可以同時(shí)觀察到入射光線和折射光線；雙環(huán)取代了曲面鏡，在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)紅外線從左側(cè)通光孔射入，光線在小圓環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次凹面鏡反射；紅外線從右側(cè)通光孔射入時(shí)，光線在月牙環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次凸、凹面鏡反射。

(3)“旋轉(zhuǎn)測(cè)角式”反射折射演示儀。光源位置可以隨意連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，既可以演示光從空氣射入半圓形磨砂玻璃時(shí)折射光線隨入射光線的變化關(guān)系，又可以演示光從半圓形磨砂玻璃中射入空氣中時(shí)折射光線隨入射光線的變化關(guān)系。

(4)“翻板式”多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示箱。實(shí)驗(yàn)儀器功能齊全，不用時(shí)儀器翻入倉(cāng)儲(chǔ)箱，使用時(shí)根據(jù)需要隨意翻出，可以完成光的直線傳播，光的反射、折射、漫射，透鏡對(duì)光的作用等一系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

(5)本系列演示儀實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)度高，操作性好，現(xiàn)象直觀，讀數(shù)方便，非常適用于課堂演示。