自制水位報(bào)警裝置與光的折射定律

馬麗 徐曉梅 陳偉 李月梅

[摘 要]光的折射定律是初中光學(xué)的重要知識(shí)，人教版教材以學(xué)生溺水這一問題為情境引出光的折射定律。受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)水位報(bào)警裝置，使折射現(xiàn)象、折射規(guī)律可視化;另外，運(yùn)用光的折射定律能很好地解釋教材中提出的“岸上看水塘中的水，會(huì)覺得水淺”的問題，警示學(xué)生在水塘邊要注意安全。

[關(guān)鍵詞]自制水位報(bào)警裝置;光的折射定律;生活物理

[中圖分類號(hào)]? ? G633.6? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）26-0055-02

光的折射定律是初中光學(xué)的重要知識(shí)，也是后面學(xué)習(xí)凸透鏡成像和眼睛等知識(shí)的基礎(chǔ)。在人教版八年級(jí)上冊(cè)物理教材中，以“清澈見底、看起來不過齊腰深的池水，實(shí)際上，卻因看到的深度與池水實(shí)際深度不一致而引發(fā)溺水問題”為情境，引入折射定律的學(xué)習(xí)。這對(duì)剛接觸物理的初中生來說，該導(dǎo)入環(huán)節(jié)相對(duì)抽象，不易于理解。為此，制作水位報(bào)警裝置作為該現(xiàn)象的演示教具，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解光的折射定律，并借此輔以游泳安全警示教育。

一、裝置原理與制作

（一）裝置原理

根據(jù)光的折射定律，有效利用水槽、報(bào)警系統(tǒng)、Arduino UNO控制串口屏、激光發(fā)射器等器材，設(shè)計(jì)制作水位報(bào)警裝置，用此裝置演示光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)的現(xiàn)象。在水槽未加水時(shí)，調(diào)整激光束，使其照射在接收器A上，屏幕顯示“安全水位”。當(dāng)水槽加水到一定深度后，激光束照射在接收器B上，串口屏顯示“水深危險(xiǎn)”，同時(shí)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲。

（二）裝置制作

1.所需器材

玻璃水槽一個(gè)（35 cm×10 cm×20 cm），1.0 mmPVC玻璃板一塊（35 cm×10 cm），四根6 cm長(zhǎng)的金屬銅柱，報(bào)警電路裝置一套[5 V無源蜂鳴器一個(gè)、100 Ω限流電阻一個(gè)、激光接收器兩個(gè)（紅綠藍(lán)紅外光激光接收器：400 nm ∽ 1100 nm）]，Arduino UNO R3開發(fā)板一塊，液晶串口屏一個(gè)（5 英寸 5 V），激光發(fā)射器一支（lase-303@sy），導(dǎo)線若干，數(shù)據(jù)線兩根，手機(jī)支架兩個(gè)等。

2. 報(bào)警裝置的制作

（1）在長(zhǎng)方形透明玻璃水槽的底部分別焊接4根銅柱做腳架。

（2）距水槽底部5 cm處將透明PVC玻璃板與水槽腳架粘接，玻璃板上放置激光接收器、Arduino UNO、報(bào)警電路裝置。

（3）調(diào)整并固定激光發(fā)射器位置，當(dāng)水槽未注水時(shí)，激光束照射到水槽底部的光點(diǎn)，設(shè)為光在空氣中傳播的接收點(diǎn)A。當(dāng)水加到預(yù)設(shè)深度時(shí)，激光束照射到水槽底部的光點(diǎn)設(shè)為接收點(diǎn)B，并將此時(shí)的水位定為“水深危險(xiǎn)”的報(bào)警水位。

（4）將接收器分別放在接收點(diǎn)A、B的位置，用金屬薄片固定在玻璃板上。為了讓演示實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便（不受光波段位影響），選擇400 nm ∽ 1100 nm激光接收器。

（5）液晶串口屏制作

①首先要在電腦上制作三張用于屏幕顯示的字幕圖片，分別是開機(jī)頁面（默認(rèn)為全屏黑色）、“安全水位”綠色字幕、“水深危險(xiǎn)”紅色字幕。

②利用與液晶屏幕配套的VGUS串口屏開發(fā)工具，將已經(jīng)制作好的三張圖片通過下載器按順序下載到串口屏中，編號(hào)依次設(shè)置為0000H、0001H、0002H。

（6）硬件電路設(shè)計(jì)

在激光接收器旁安裝Arduino UNO開發(fā)板作為整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的MCU（微控制器），它是整個(gè)裝置的核心部分，負(fù)責(zé)處理水位信號(hào)、控制串口屏顯示并觸發(fā)報(bào)警電路。當(dāng)激光照射到接收器上的A受光圓孔時(shí)，內(nèi)部的繼電器從常閉端口打到常開端口，同時(shí)指示燈熄滅。當(dāng)激光照射到接收受的B受光圓孔時(shí)，這時(shí)Arduino UNO開發(fā)板上的引腳就能采集到激光接收器的到位信號(hào)，從而觸發(fā)報(bào)警電路，讓蜂鳴器報(bào)警，并且控制串口屏顯示不同的字幕信息。整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

（7）對(duì) Arduino UNO軟件程序源碼編程，設(shè)計(jì)裝置的水位報(bào)警程序。

（三）裝置制作影響因素分析

由于激光接收器不具防水性能，無法安裝在水槽內(nèi)底。若將激光接收器A、B安裝在水槽外，需考慮光經(jīng)過水槽底部玻璃的幾何距離和玻璃到空氣折射偏向角的大小。

鑒于激光接收器上的受光圓孔有一定大小，調(diào)整激光發(fā)射器位置，將激光束入射角固定在46°～55°范圍內(nèi)。測(cè)得水的折射率為1.33，玻璃的折射率為1.51，可據(jù)斯涅耳定理計(jì)算折射偏向角[θ]（折射偏向角為入射光線的延長(zhǎng)線與折射光線夾角的絕對(duì)值：[θ=i'-γ]）和光在玻璃中的幾何距離[L]（[L=d/cos i']），計(jì)算出折射偏向角[θ]的范圍：注水前為17.7°～22.4°，注水后也為17.7°～22.4°;光在玻璃中幾何距離L的范圍：注水前為0.93 cm～1.06 cm，注水后為0.57 cm～0.59 cm。（圖2、3所示為入射角[α=50°]時(shí)注水前后的光路圖和演示效果圖）

綜上所述，激光接收器安裝在水槽外部對(duì)報(bào)警裝置注水前后的演示效果影響非常小，可以忽略不計(jì)。

二、水位報(bào)警器裝置功能與教學(xué)演示

（一）裝置功能

當(dāng)水槽里沒有水時(shí)，激光發(fā)射器發(fā)出的激光束直射到激光接收器A上，Arduino控制串口屏顯示“安全水位”;而注水后，隨著水位的升高，光路發(fā)生偏折，激光束的照射點(diǎn)將逐漸朝激光接收器B的方向移動(dòng)，當(dāng)激光照射點(diǎn)恰好落在接收器B上時(shí)，水位達(dá)到預(yù)設(shè)警戒位置，此時(shí)Arduino便觸發(fā)報(bào)警電路，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，控制液晶串口屏顯示“水深危險(xiǎn)”。

（二）教學(xué)演示

教師可借助投影儀，讓學(xué)生分別從水槽正前方和側(cè)上方觀察注水前、后及注水過程的光路變化情況。

當(dāng)水槽中的水加到警戒位置時(shí)，人從水槽側(cè)上方觀察，看到“池水”很淺，但水位報(bào)警器已經(jīng)發(fā)出蜂鳴聲，且屏幕顯示“水深危險(xiǎn)”，轉(zhuǎn)向正前方觀察時(shí)，就可以看到水位已經(jīng)達(dá)到警戒線，射入水中的激光束光路出現(xiàn)明顯的偏折，池底（P點(diǎn)）反射的光線經(jīng)過水到空氣后進(jìn)入人眼，我們以為光線是直線進(jìn)入人眼，即誤認(rèn)為池底在P′點(diǎn)處，因此認(rèn)為水位較淺，如圖4所示，但實(shí)際水深卻遠(yuǎn)比“看到”的水深要深得多，猶如人站在“岸上”，單憑肉眼很難分清池水的深淺，看起來很淺的水，卻很容易發(fā)生溺水事故。利用此教具解釋“潭清疑水淺”的生活現(xiàn)象，可幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解折射定律。

（三）教具優(yōu)點(diǎn)

該報(bào)警裝置制作材料易于獲取，安裝與操作比較方便，演示折射現(xiàn)象明顯直觀，容易吸引學(xué)生的注意力。裝置不僅可以用于光的直線傳播的復(fù)習(xí)、光的折射新課導(dǎo)入、光的折射定律演示和探究，還可對(duì)學(xué)生輔以安全教育。

三、結(jié)語

光的折射實(shí)驗(yàn)教具有很多不同的制作方式，在課堂教學(xué)中，需考慮學(xué)生的認(rèn)知程度和生活背景。因此教師應(yīng)當(dāng)多研究教材內(nèi)容，發(fā)掘與學(xué)生生活相關(guān)的物理知識(shí)和問題，這樣才能設(shè)計(jì)出既能將物理規(guī)律解釋得清楚明白，又能夠引起學(xué)生興趣的教具，從而輔助教學(xué)工作。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 人民教育出版社，課程教材研究所.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)上冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2012：81-84.

[2]? 董霞.“魚在哪里”中學(xué)物理教學(xué)中的折射解析[J].物理教師，2013（11）：59-60+62.

（責(zé)任編輯 易志毅）