物理實(shí)驗(yàn)中光的妙用

(東南大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 南京 211189)

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的重要組成部分，直觀形象的實(shí)驗(yàn)對(duì)理解物理知識(shí)有很大的幫助作用，利用人們對(duì)光的敏感，把一些物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象利用光來(lái)演示，不但能增加實(shí)驗(yàn)的可視性，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和探究欲望，從而對(duì)掌握物理知識(shí)產(chǎn)生意想不到的效果.

1 利用二極管的發(fā)光特性，制作光顯測(cè)力計(jì)與變阻器

圖1

圖2

光可以影響神經(jīng)的興奮性，在實(shí)驗(yàn)中能利用同學(xué)們對(duì)光的敏感性，對(duì)一些常見(jiàn)儀器進(jìn)行改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)中就可以提高興奮度和關(guān)注度，記憶也就比較深刻.如圖1所示，通過(guò)對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的改造，我們?cè)诳潭缺P(pán)的整數(shù)刻度處安裝各色二極管，當(dāng)拉力增大時(shí)，隨著指針向下移動(dòng)，所在刻度的二極管一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)亮，這些發(fā)光二極管會(huì)有效吸引學(xué)生注意力，可視性大大增加，后排的同學(xué)也會(huì)清楚的看到指針的大致位置.其工作原理如圖2所示，指針帶動(dòng)彈簧伸長(zhǎng)時(shí)，二極管一端的導(dǎo)電絲接觸指針或彈簧，指針以上的二極管就會(huì)通電發(fā)光，指示刻度.

對(duì)于滑動(dòng)變阻器的不同接法，到底電流經(jīng)過(guò)了哪部分電阻，對(duì)于初學(xué)滑動(dòng)變阻器的同學(xué)來(lái)說(shuō)是個(gè)難點(diǎn).如果能把滑動(dòng)變阻器的電阻絲周圍固定一些二極管，當(dāng)接入電路時(shí)，有電流流過(guò)的那部分電阻上對(duì)應(yīng)的二極管就會(huì)發(fā)光，這樣的光顯滑動(dòng)變阻器不但能引起同學(xué)們的注意力，對(duì)理解滑動(dòng)變阻器的工作原理也很有幫助.其實(shí)物如圖3，其原理是把定值電阻和發(fā)光二極管并聯(lián)在一起作為發(fā)光指示單元，若干個(gè)發(fā)光指示單元相串聯(lián)，以此來(lái)替代滑動(dòng)變阻器的電阻線圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)變阻器連入電路的電阻部分的光顯示.

圖3

2 利用光影改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)，演示波的傳播與彩色瀑布

圖4

圖5

光影具有直觀、形象、具體等特點(diǎn)，如果能利用影子把運(yùn)動(dòng)和變化展現(xiàn)出來(lái)，提供生動(dòng)直觀的圖像，可幫助學(xué)生加深對(duì)物理規(guī)律的理解.如演示橫波的形成與傳播時(shí)，用一根粗彈簧，通過(guò)拉伸，裝置在一個(gè)木箱中，原理如圖4，木箱外裝置把手可以搖動(dòng)，利用透過(guò)凸透鏡的平行光投影，彈簧在前面的毛玻璃板上就出現(xiàn)了栩栩如生的橫波，搖動(dòng)彈簧，波開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，彈簧上夾上一個(gè)小夾子，并豎直放一支鉛筆，就可以演示波的前后移動(dòng)是質(zhì)點(diǎn)的上下移動(dòng)形成的，多加幾個(gè)夾子，顯示的波動(dòng)形成更為直觀，把這個(gè)光影機(jī)械波裝置安裝在暗箱里，白天演示也很清晰，實(shí)物見(jiàn)圖5，裝置內(nèi)更換軟質(zhì)彈簧，就可以演示縱波的形成與傳播.利用這個(gè)波動(dòng)演示器去認(rèn)識(shí)波形、振動(dòng)狀態(tài)以及波速、周期，就會(huì)使抽象的波具體化、形象化、趣味化.

利用彩色瀑布演示光的全反射，如果把礦泉水瓶下端鉆一個(gè)小孔，用紅色的激光透過(guò)礦泉水瓶對(duì)著小孔照射，當(dāng)角度合適時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)紅色的激光束會(huì)隨著彎曲的水流留下來(lái)，利用水流的這種全反射現(xiàn)象，可以設(shè)計(jì)一個(gè)彩色瀑布，一束激光通過(guò)多根光纖延伸到瀑布頂端，調(diào)整好角度，當(dāng)瀑布落下時(shí)，一條條激光會(huì)在水中若隱若現(xiàn)，光隨水飄散，出現(xiàn)十分奇異的物理現(xiàn)象.

3 利用壓強(qiáng)演示透鏡的折射，利用磁場(chǎng)演示電流的受力

圖6

凸透鏡對(duì)光線具有匯聚作用，凹透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，利用透鏡的這種性質(zhì)演示液體壓強(qiáng)隨深度的增加而增大，會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的奇特現(xiàn)象.如圖6所示，玻璃槽上端用薄膜封入一定量氣體，使上端突起，固定在大容器底部，玻璃槽下端有并排多束激光照射.當(dāng)慢慢在大容器中倒入液體時(shí)，薄膜在液體壓強(qiáng)的作用下會(huì)慢慢壓縮，由突起變成水平，再變成凹陷，可以看到當(dāng)薄膜為凸形時(shí)，激光束發(fā)散，當(dāng)薄膜為水平時(shí)，激光束平行射出，當(dāng)薄膜為凹形時(shí)，激光束匯聚，液體越深，壓強(qiáng)越大，薄膜凹陷越明顯，匯聚能力越強(qiáng).這種空氣透鏡發(fā)生的折射現(xiàn)象一定會(huì)引起同學(xué)們?nèi)ヌ骄吭颍瑥亩肋@種空氣透鏡在水中的折射實(shí)際上與玻璃透鏡在空氣中的折射正好相反.為提高這個(gè)實(shí)驗(yàn)的可視性，液體最好用膠體代替，多束平行激光可以用一束激光通過(guò)分光鏡或半透半反透鏡獲得.

另外也可以利用高壓放電演示磁場(chǎng)對(duì)電流的作用，如利用電子感應(yīng)圈產(chǎn)生高壓放電如同閃電一樣具有聲光效果，這條閃電本身就是一條電流，如果能把這條電流放入磁場(chǎng)，這條電流同樣會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)(如圖7)，在一個(gè)圓形的容器內(nèi)部中間固定一鐵釘，周圍固定兩排帶尖的鐵棒，并連接起來(lái)，用電子感應(yīng)圈通過(guò)尖端放電，一條條的閃電便產(chǎn)生了，再將磁鐵置于裝置下方，移動(dòng)磁鐵，閃電便會(huì)在聲光中移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，改變磁鐵的極性或旋轉(zhuǎn)方向，閃電的移動(dòng)旋轉(zhuǎn)情況也會(huì)相應(yīng)改變.

圖7

可見(jiàn)，利用人對(duì)光的敏感性改進(jìn)一些物理實(shí)驗(yàn)不但能提高可視度，也會(huì)使實(shí)驗(yàn)的效果大大增強(qiáng)，同時(shí)讓同學(xué)們更好的認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象、學(xué)習(xí)物理概念、理解物理規(guī)律、提高學(xué)習(xí)興趣.

參考文獻(xiàn)：

張憲魁．實(shí)施物理科學(xué)方法教育的策略談[J]．物理教學(xué)探討，2014，(1)．