環保型立體激光幾何光學演示儀

解忠良

項目摘要

環保型立體激光幾何光學演示儀使用多束立體平行綠色激光作為光源，以水霧作為顯示激光束的參照背景，與傳統的使用平面平行紅色激光作光源、利用煙霧當作顯示激光束參照背景相比，不僅能夠從多個角度演示幾何光學實驗，而且更為綠色環保無污染。同時，綠色激光模組與水霧二者結合起來使用，光路顯示效果更為清晰明顯，顯示時間更快、教學效率更高。環保型立體激光幾何光學演示儀不僅能夠完成初中幾何光學的全部實驗演示，而且能夠演示高中的全反射實驗，因此適用于進行小學科學和初高中物理的幾何光學演示實驗，也適用于學生進行幾何光學的實驗探究。

項目研究過程

研究背景

在進行幾何光學演示實驗和分組實驗中，傳統的教學儀器是使用平面平行紅色激光作為光源，使用煙霧（蚊香或者香煙點燃后的煙霧）作為顯示激光束的參照背景，為收集煙霧，還要制作一個暗箱。該類裝置煙霧生成慢、不宜捕捉且容易污染環境；紅色激光束在煙霧暗箱中顯示出的光路也比較暗淡，不夠清晰。因此，我產生了以立體多束平行綠色激光模組代替紅色激光作為光源、以水霧代替煙霧作為顯示光路的參照環境的想法，在制作教具前的測試中效果極佳。

制作組裝

教學儀器演示箱用有機玻璃加工制作而成，長550mm，寬110mm，高280mm，下有底座，上無蓋。

用直徑50mm，高280mm有機玻璃管制作成霧化箱，霧化器放入霧化箱內，上有蓋，蓋上加風扇，霧化箱中間開孔，小孔連接管道輸入到演示箱體內，霧化后的水汽經由此管道吹入演示箱內。

制作由1束綠色激光組成的立體平行光源。

制作多束綠色激光光源。

鐵質光具盤放入演示箱體內。

制作底座，把電子線路及開關等配件集成在底座內。

演示儀的改進

演示儀經過了四代的改進。第一代作品，使用玻璃制作演示箱體，見圖1；第二代作品，使用有機玻璃制作演示箱體，演示箱內左側為霧化器設備，箱體內有光具盤；第三代產品在第二代的基礎上進行改進，加裝獨立的霧化設備；第四代產品使用了多束立體平行激光光源，激光光源的電子線路集成在底座內，見圖2。第四代作品能夠演示更多的實驗。

實驗演示

使用第四代產品不僅可以演示初中物理幾何光學的全部實驗，還可以演示高中全反射實驗，見圖3。此外，使用專用的激光配件，還可以演示光在不均勻的同種介質中的傳播和立體光束通過透明圓柱體的折射現象，見圖4。

項目應用的科學方法及科學原理

霧是由空氣中的水汽凝結成的小水滴形成的，當激光照射在這些小水滴上面的時候，就會顯示出明顯的光束，這是由光的漫反射造成的。本教學儀器就是利用光的漫反射原理，以水霧作為顯示光束的參照背景，顯示出綠激光模組的激光束，配以光具盤和光學透鏡，完成光學實驗的演示。

項目創新點或改進點

環保型立體激光幾何光學演示儀與傳統光學教學儀器相比，以立體多束平行激光作光源，代替平面平行光源，能夠演示更多的光學實驗；以水霧代替煙霧作為顯示光路的參照背景，具有綠色環保無污染、易捕捉等優勢，以及操作簡單、等待時間短、持續時間長、演示效果清晰等優點。使用綠色激光器作為光源，比傳統的紅色激光器演示效果更佳。

項目使用情況及進一步完善的設想

環保型激光幾何光學演示儀不僅能夠演示初中幾何光學的全部實驗，而且能夠演示高中的全反射實驗，在學校課堂教學中得到了學校教師的高度評價，并對使用該教學儀器與使用傳統的教學儀器的實驗教學進行了對比，使用該教學儀器的學生對知識點的掌握達到了100%。教師在應用中也提出了改進建議，希望該儀器應向集成度更高、操作更簡便的方向改進。因此，在進一步的完善中，計劃使用3D打印技術制作出更便于使用的配件，并且增加自動化功能，使用單片機控制，使整套教學儀器集成度更高，操作更為簡單易行。

專家評語

該項目制作了環保型立體激光演示儀，使用多束立體平行綠色激光作為光源，以水霧作參照背景，能夠演示多個幾何光學實驗。該項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。項目資料齊全，研究報告書寫規范。希望該項目在教學設計方面作出改進和提升。