多功能光學演示儀在物理教學中的應用

魏學銳 劉旭威 何京妮 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

多功能光學演示儀在物理教學中的應用

魏學銳 劉旭威 何京妮 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

光學部分是初中物理教學中的一個難點，欠缺教具輔助教學是造成學生認知困難的一個重要因素．文中介紹了一種多功能光學演示儀的制作方法，并將其應用于日常教學中．

光學 教具 多功能

1 前言

掌握光的各種現象，會用光學基本知識來解釋生活中常見的光學現象是對初中學生學習光學部分的要求．如果沒有相應實驗演示器材的話，學生只能靠想象，比如光的反射、光的折射現象，學生只能靠書本上的描述記住物理規律．尤其是透鏡、面鏡對光的作用以及凸透鏡成像規律，初中階段的學生更是難以理解．

而本文介紹的“多功能光學演示儀”，不僅讓學生能觀察到明顯的實驗現象，也可減少教師準備實驗的工作量．

2 教具功用

本教具功用分為常規實驗以及拓展實驗兩部分，具體內容見下表．

表1 多功能演示儀功能用途

3 教具裝置

本教具為成套裝置，不同的組合方式可以完成不同的實驗．以下是演示儀的裝置圖(圖1)及相應的介紹．

圖1 教具整體裝置圖

4 制作材料和方法

整體框架：有機玻璃板用ABS膠粘合成A，B，C 3個箱．以下介紹的是各個實驗所用到的材料及相應的設計：

(1)小孔成像(白熾燈、LED雙向標作為光源)．白熾燈.一個白熾燈串聯電位器，220 V交流電供電；LED光源.多個高亮LED并聯焊接、3 V電池盒供電；小孔.黑色卡紙裁剪多種形狀孔．光屏.PVC白板；將以上器材放入光具座即可演示小孔成像實驗．

(2)光的反射．光霧水槽(用有機玻璃板粘合)中、水槽底部放入平面鏡、側面放角度盤，激光筆用架子固定從外部入射，即可改變入射角多次探究光的反射規律．

(3)平面鏡成像規律探究(佩珀爾幻像)．按圖4設計和擺放，在C區放水杯，A區放蠟燭，B區對角線加入0.3 mm亞克力玻璃板、可從B這個角度看到蠟燭的幻象．

(4)光的折射：與光的反射類似，但為了顯示空氣中的光路，用點燃艾條產生煙霧．

(5)光的色散：白色強光手電照射三棱鏡．

(6)色光合成：用紅、綠、藍強光LED，各配3 V電池盒和散熱片．

(7)透鏡對平行光的作用．平行激光器：由5個激光頭串聯焊接，4.5 V電池盒供電；導軌：一塊45 cm×100 cm的亞克力中間割開2.5 cm×90 cm的槽，貼上紙質尺．導軌中間槽倒插入透鏡，一邊插入平行激光器，放入艾炙盒．即可觀察光路．

(8)凸透鏡成像規律：用米尺制作的光具座上安裝上透鏡，用前面LED光源、光屏即可探究規律．

5 使用方法和效果

5.1 小孔成像演示

(1)將其中兩個A和C號箱如圖9組合在一起，加上光具座．首先我們用白熾燈進行試驗，我們可以發現小孔的形狀、大小跟成的像是沒有關系的．

(2)假如把光源換成LED點陣組成的藍色跟綠色的箭頭，可以發現雖然成的像還是倒立的箭頭，但是LED成的每一個點的像是跟小孔的形狀有關的(圖2)，因為對于LED點光源而言，小孔不能再稱為“小孔”了．在這個實驗中可以引導學生理解小孔成像中的“小”的含義．

圖2 不同形狀的小孔成的像是不一樣的——孔相對于LED點光源來說不再是“小孔”.從左至右分別為三角形、方形、圓形對箭頭形狀LED成的像

5.2 光的反射[1]

圖3 光的反射實驗效果 圖4 佩珀爾幻像

在光霧水槽底部置放平面鏡，在艾炙盒平臺中放入艾炙盒，點燃艾條，蓋上光霧水槽蓋等待10s左右，在光霧水槽外用可調角度的激光筆調整角度，觀察角度盤即可讀出入射角與反射角(圖3)．

5.3 佩珀爾幻像演示(魔術)[2]

把教具擺放成如圖4所示形狀，A,B,C3號箱子形成L型．在相應的卡槽中插入對應的板，營造一個比較昏暗的氛圍．在A箱中放入蠟燭并點燃，在C箱中適當位置處放一個水杯，并往水杯中加水，會發現在觀察窗口看來，蠟燭被水淹沒之后依然會燃燒．這就是“水中燃燒的蠟燭實驗”．另外，還可以用同樣的方法做“燒不破的氣球”實驗．揭秘魔術：平面鏡成像原理．在明室、暗室以及觀察室底部貼上坐標紙，打開暗室燈，用熒光棒進行精準定位，揭示平面鏡成像規律．

5.4 光的折射

(1)首先在光霧水槽中加入適量的濁液，在光霧水槽底部置放平面鏡，在艾炙盒平臺中放入艾炙盒，點燃艾條，蓋上光霧水槽蓋等待10s左右，在光霧水槽外用可調角度的激光筆調整角度，即可觀察到光的折射現象(圖5)．觀察角度盤即可讀出入射角與折射角．

圖5 光的折射演示現象 圖6 光的全反射現象

(2)如果將激光筆的光線調整至從水里往空氣中投射，即可觀察到“全反射現象”(圖6)，相當明顯，可以作為初中生的拓展思維實驗之一．

5.5 光的色散

擺放好三棱鏡，用強光手電筒照射三棱鏡，合理調整三棱鏡角度，即可觀察到“彩虹”出現．

5.6 光的合成(三原色合成)

在A號箱里放置好三原色合成器(圖7)，分別打開3種顏色LED燈，可以發現三種顏色各自重合的部分都出現了新的顏色，3種顏色交匯出合成了白色(圖8)．

圖7 三原色合成器 圖8 色光合成效果

5.7 透鏡、面鏡對平行光線的作用

(1)將A和C號箱組合成如圖9和圖10所示樣，點燃兩個艾炙盒中的艾條，等待約1min，將平行激光器以及凸透鏡擺放好位置，在箱子外即可觀察到凸透鏡將平行光線匯聚成一點，通過光具導軌可讀出示數．

圖9 凸透鏡匯聚平行光

圖10 凹透鏡發散平行光

(2)將凸透鏡換成凹透鏡、凹面鏡、凸面鏡，調整距離，即可觀察到平行光在相應透鏡/面鏡作用下的現象．

5.8 凸透鏡成像規律探究[3]

把A號箱與C號箱組合成如圖9所示形狀，并加上光具座．我們用綠色跟藍色的雙向箭頭作為光源，焦距為10cm的凸透鏡作為成像工具進行演示．光屏上畫有標尺，通過觀察像的大小與光屏刻度長度的大小可以知道像是放大還是縮小(圖11)．

圖11 出現實像

當只開綠燈時，我們發現箭頭方向反了，說明成的是上下倒立的實像(圖12)；當藍、綠燈同時打開時，我們發現藍綠燈不僅上下顛倒，而且是左右顛倒了．這可以極好地讓學生理解“倒立”的實質(圖13)．

圖12 上下顛倒的箭頭

圖13 左右顛倒的箭頭

6 教具創新點

(1)小孔成像演示比常規實驗增加了一個探究部分，利用LED點光源的特點，引導學生更好地理解小孔成像中“小孔”的含義；

(2)采用魔術(佩珀爾幻像)的手段演示平面鏡成像，做出“不可思議”的效果并通過魔術揭秘的方式讓學生掌握平面鏡成像的特點．

(3)光的合成實驗中，采用方形的燈光區域合成，結構不易變形，便于搬運．

(4)自制平行激光器，很好地演示面鏡、透鏡對平行光的作用．另外，我們采用倒插的方法，移動平行激光器以及透鏡，通過具座尺讀出讀數，并可以測定凸透鏡焦距．

(5)凸透鏡成像規律演示中，光具座上加了小LED燈，幫助讀數，以免在較暗的環境中無法讀數；光源用LED燈，節能、環保；此外，采用了藍綠箭頭幫助學生理解“倒立”的真正含義．

(6)每個箱子標有相應序號，不易混淆．

1 林保銀,熊瑋. 初中生家庭光學實驗案例設計.教學儀器與實驗,2009(3):35～36

2 解問鼎,郭雅潔,陶洪. “佩珀爾幻象”的光學原理及其在初中物理教學中的應用.物理教師,2014(10):40～42

3 呂秋波. 對光學演示實驗的改進.物理教學探討,2007,22(4):59～60

2016-08-31)