光折射實驗的創新研究

劉波

【摘 要】一種創新的光折射實驗裝置，包括盛水容器、待觀察物、及水槽，其特征是：所述盛水容器為由透明材料制成的扁平狀的圓盤容器，所述圓盤容器的上部開口為視線觀察端，所述圓盤容器的底部設有水嘴并連接有水管與水槽；所述圓盤容器底側的內壁放置所述待觀察物。有益效果是：抬高或降低水槽，改變圓盤容器內水面的高低，可調節待觀察物在“全部可見”、“局部可見”、“完全消失”之間不斷變換，達到待觀察物人為可控的“忽隱忽現”，既得到驚奇有趣的實驗效果，又可連續觀察，相當于做了多次實驗；然后用可見的激光現場演示，揭秘“隱”和“現”的原因；馬上在在透明面板的背面貼上光線標記紙，分析光的折射原理，揭露本質。

【關鍵詞】光折射；實驗；連通器；忽隱忽現；激光

【中圖分類號】O435 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）07-0048-01

一、背景及目的

現有初中物理教學，在介紹了光的折射知識之后，為加深學生印象，安排了名為“硬幣隱現之迷”的小實驗，在水杯底放一枚硬幣，把碗移動到眼睛剛巧看不到硬幣的地方，保持眼睛和碗的位置不變，請另一位同學緩慢地向水杯里倒水，當倒入的水達到一定程度后，會發現原來看不見的硬幣變得能看見了，進而理解光線由水斜射到空氣中的折射現象。

上述實驗取材簡易，利于推廣，但存在的問題有：一是需要兩人配合，一人觀察，一人緩慢倒水；二是該實驗的重復性不好，若一次觀察得不清楚，想再次實驗及觀察，需要將水倒出后重做，所有實驗操作均要全部重做，浪費了較多時間，由于時間關系，教師經常不能給未觀察到的學生重做實驗。三是該實驗效果平淡，不夠驚奇有趣，不能有效地吸引學生的興趣。

本項研究的目的是，提供一種新裝置，要求觀察者一個人就能操作實驗全程，特別是碗里的水面要能在“上升或下降”間不斷轉換，于是硬幣會“忽隱忽現”，從而得到驚奇而重復性極好的實驗效果。

二、前期試驗

1.裝置結構簡圖。

如圖1、圖2所示，碗狀容器1的內部可盛水，其底部粘貼或固定有待觀察物，如硬幣3、小型發光體（為便于觀察）等，碗狀容器1底部的另一側開孔并設有進出水嘴4。碗狀容器1放置在下方設置的支架2上。

水槽7的下方或底部也開孔并設有進出水嘴7，碗狀容器的進出水嘴4與水槽的進出水嘴6之間連接有軟管5。軟管5的長度應以50-100厘米為適宜，使得人體站立在看不到碗內硬幣的位置時，方便人手抬高或放低水槽；軟管5的粗細應和碗狀容器1的大小配套，使得在抬高或放低水槽的短短數秒時間內，硬幣就能“忽隱忽現”。

2.制作的樣品。

3.樣品測試及效果。

如圖1-4所示，在水槽中準備好適量的水，手持水槽站在剛好看不到碗內待觀察物（如硬幣或發光體等，下同）的位置，緩緩抬高水槽，根據連通器原理，水槽內的水向碗內流動，隨著碗內水面的上升，先看見硬幣的邊緣直到全部。

放低水槽，碗內水面下降，硬幣由“全部可見”到“局部可見”再到“完全消失”；放低或抬高水槽，硬幣就會在“忽隱忽現”間地不斷轉換，既得到驚奇有趣的實驗效果，又可連續觀察，相當于做了多次實驗，具有很好的重復性，避免發生個別學生沒觀察到的情況，利于激發學生主動探究光的折射原理。

三、后期再改進

如圖5所示，面板2固定在底座1上，面板中部固定有透明材料制成的圓盤容器7，圓盤容器7的上部開口為視線觀察端，口部側壁貼有遮光紙10或設有不透明涂層；圓盤容器7的底部設有水嘴3并連接有水管11，所述水管11的另一端與水槽12連通；圓盤容器7底側的內壁放置有帶磁性的待觀察物5，容器外壁放置有吸附用的磁體4，移動外壁的磁體4，可調節內部待觀察物5在容器內的位置。為加強觀察的趣味性，待觀察物5的表面可設置文字或圖案。

面板2上方對應位置安裝有攝像頭9，以將觀察畫面顯示在投影或電腦上，全班可見。

如圖6、圖7所示，本實用新型還設置有光線標記紙13和激光筆14，所述光線標記紙13上標記有分析光折射原理用的入射光線、折射光線、水面線、法線。

四、突出的創新點及效果

1.控制待觀察物達到“忽隱忽現”的觀察效果。

如圖5所示，圓盤容器無水時，調整好攝像頭9的位置，使其捕捉不到待觀察物5，緩緩抬高水槽，根據連通器原理，水槽內的水向圓盤容器內流動，隨著圓盤容器內水面的上升，先看見待觀察物的邊緣直到全部；放低水槽，圓盤容器內水面下降，待觀察物由“全部可見”到“局部可見”再到“完全消失”；放低或抬高水槽，待觀察物就會在“忽隱忽現”間地不斷轉換，既得到驚奇有趣的實驗效果，又可連續觀察，相當于做了多次實驗，具有很好的重復性，避免發生個別學生沒觀察到的情況，利于激發學生主動探究光的折射原理。

2.用可見的激光現場演示，揭秘“隱”和“現”的原因。

如圖6、圖7所示，移除磁體4及待觀察物5，在原來磁體4的位置開啟激光筆14，激光筆14發出的一束可見光（有紅光和藍光兩種色可選）經水面折射后能射到攝像頭9的位置，說明能看到待觀察物5；放出圓盤容器7內的水，激光筆14發出的可見光不能射到攝像頭9的位置，說明不能看到待觀察物5，從而當場揭秘“隱”和“現”的原因。

3.分析光的折射原理，揭露本質。

如圖7所示，在透明面板2的背面貼上光線標記紙13，顯示出入射光線、折射光線、水面線、法線，從而清楚明白地分析出光的折射原理。