幾何光學綜合演示儀

吳博昌+曹榮朗

摘 要：利用可視性原理和幾何光學原理，運用光束射向面鏡和透鏡反映幾何光學的特點，所有演示項目均根據實際光學器件生成光路，讓學生很好地理解各種光路，操作科學、原理簡單。本文較系統地介紹了幾何光學綜合演示儀的制作原理、制作材料和制作方法，使用方法和使用效果，該儀器綜合性強，能有效地解決教學中的難點問題。

關鍵詞：幾何光學；綜合演示儀

中圖分類號：G633.6 文獻標識碼： A 文章編號：1992-7711（2017）02-029-01

我們在研究幾何光學問題時，光的反射、折射及透射規律的實驗探究是學習、教學的難點，學生往往對光路可逆、漫反射是否遵循光的反射規律，實際光路與規律是否一致還留有疑惑，有時候往往只注意光的反射、折射和透視現象的靜態光路，而忽略了光路的動態變化，而這些動態變化卻是我們在學習和教學中的難點。因此我們研制了《幾何光學綜合演示儀》，使教學過程從枯燥到有趣，從抽象到形象。運用此教具進行課堂演示實驗，不僅提供了大量的教學信息，而且能使學生在生動形象的環境中，得以迅速理解和掌握物理規律.激發他們的學習興趣，調動他們的主動性、積極性、創造性，從而達到提高課堂實效的目標。

一、教具制作原理

1.可視性原理。演示器的光束可視，正確反映光路。

2.幾何光學原理。運用光束射向面鏡和透鏡反映幾何光學的特點。

3.操作科學、簡單原理。所有演示項目均根據實際光學器件生成光路，操作簡單，讓學生很好地理解各種光路。

依據上述原理，我們研制了以激光束為光路照射到面鏡和透鏡的幾何光學裝置——幾何光學綜合演示儀。

二、教具裝置圖

三、儀器的特點及用途

1.特點

（1）模型的制作材料簡單，價格低廉，操作簡單。

（2）模型的制作原理科學合理而又具創新性。

（3）通過儀器形象直觀的演示，能有效地解決教學中的難點問題。

（4）綜合性強，一個教具能演示多個光學規律。

2.用途

（1）演示光的反射、光的折射。

（2）演示平面鏡光路、凸面鏡光路、凹面鏡光路。

（3）演示凸透鏡光路、凹透鏡光路。

四、制作材料

①鐵磁性板1個；②磁性座線光源激光頭3個；③凸面鏡、凹面鏡、平面鏡、玻璃磚、凸透鏡、凹透鏡各1個。后視板3個。④學生電源1個（或干電池）。（3v）

五、制作方法

1.組件1鐵磁性板：可購買鐵磁性材料薄板（粘合在薄木板上）。并插在底座上（如圖）。

2.組件2磁性座線光源激光頭：根據激光單色性好、方向性好的特點。改裝端口，使射出的激光成線光源，便于演示觀察。

3.凸面鏡、凹面鏡、平面鏡、玻璃磚、凸透鏡、凹透鏡各1個。后視板2個。每個光學元件都用磁性底座，便于使用時固定和取放。后視板上有相應的刻度和輔助圖便于光路的研究。

4.后視板2個，分別用于光的反射和折射，透鏡成像規律，

六、使用方法

先將組件1放在講桌上，再演示。

1.光的反射演示

在鐵磁性薄板前放上光的反射演示板，把平面鏡放在水平線上，90度方向為法線，放好激光頭，以不同的角度入射到O點，觀察反射光線，得出反射定律。

2.面鏡演示

用三束平行激光分別射到平面鏡、凸面鏡、凹面鏡表面，反射光線會分別形成平行、發散、會聚光線。

3.光的折射演示

在后板上放上玻璃磚，一束激光射入玻璃表面上的O點，除了一束反射光線外，還有一束折射光線通過玻璃再折射，出射光線平行入射光線。可根據圖示角度可粗略研究玻璃的折射率。

4.凸透鏡光路的演示

在后板上放上凸透鏡，三束激光分別演示三條特殊光線，確定焦點的方法，用物點和像點演示成像，也可演示成像規律。

5.凹透鏡光路的演示。三束激光分別演示三條特殊光線，確定焦點的方法，用物點和像點演示成像，也可演示成像規律。

七、使用效果

利用可視性原理和幾何光學原理，運用光束射向面鏡和透鏡反映幾何光學的特點，所有演示項目均根據實際光學器件生成光路，讓學習者很好地理解各種光路，操作科學、原理簡單。前面較系統地介紹了幾何光學綜合演示儀的制作原理、制作材料和制作方法，演示光的反射、光的折射；演示平面鏡光路、凸面鏡光路、凹面鏡光路；演示凸透鏡光路、凹透鏡光路。該儀器綜合性強，突出重點，能有效地解決教學中的難點問題。

通過《幾何光學綜合演示儀》在實際中使用，發現學習者學習光學中光路更容易，能輕松應對光路作圖。通過觀察實例，化枯燥乏味為生動活潑，又能激發了學習幾何光學的興趣，突破學習幾何光學的難點，學生能對面鏡、透鏡各種光路系統學習，提高了學生的科學探究思維的能力，為后面的光學知識奠定了扎實的基礎。教具在光的色散及光的本性等知識還有擴展的空間，我們將在后面的教學中進行探究。