霧化式幾何光學演示儀

葉澤波，陳丹慧，劉丹瑜，李德安

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

現有的教具利用肥皂液體的丁達爾效應顯示光路[1-5]，由于液體不能過重局限了教具的尺寸，使得演示過程中只有前排的學生可以看到演示現象. 針對傳統教具的不足，結合人教版初中物理第四章“光現象”和第五章“透鏡及其應用”[6]的相關內容，設計了長為1.2 m的霧化式幾何光學演示儀，克服了傳統教具可視范圍小的局限，并可用于演示初中幾何光學中所有的實驗內容，同時對初中幾何光學的內容進行拓展補充，以此激發學生學習物理的興趣，增強教師與學生的互動，讓學生感受到物理學科的魅力所在.

1 設計思路

利用5 mm厚的透明亞克力板制作長方體箱子,將上板面中間裁剪出長矩形作為導軌. 利用8 mm厚的透明亞克力板與各光學器件拼接，通過螺桿與亞克力片連接懸掛在導軌上. 利用煙餅產生的煙霧來顯示光路.

2 裝置制作方法

霧化式幾何光學演示儀實物圖如圖1所示.

圖1 霧化式幾何光學演示儀實物圖

2.1 箱子主體

利用5 mm厚的透明亞克力板和直角固定架拼接成120 cm×30 cm×40 cm的箱子主體. 箱子右側留有半徑為3 cm的圓孔，可放置平行光源與立體光源.

2.2 光學器件

將各光學元件卡入對應的亞克力板中，將螺桿與亞克力板黏合，螺桿上端掛有帶螺母的亞克力片，即可懸掛在導軌上.

2.3 光源

1)激光光源是由單支激光筆所發出的點狀光源，用于演示點光源或平行光源中某一光路的傳播變化. 將單支激光光源固定在激光發射器萬向支架上，連接電源即可用于實驗演示.

2)類平行光源是指多支激光筆等距排列所組成的組合光源，用于演示平行光中同一平面不同光線的傳播路徑. 將5支激光筆等距地固定在亞克力板上，每支激光筆由獨立的開關控制，微調每支激光筆的角度，使5條激光光路之間相互平行.

3)立體光源是指單支激光筆勻速旋轉所發出的圓環狀光源，其作用為演示平行光在立體空間中的傳播光路. 將2只激光頭與2個電池盒對稱地粘在圓形亞克力板上(為了防止偏心運動)，并將亞克力板固定在微型小馬達的軸承上.

4)F光源是由多個LED燈按照一定的排列順序拼接而成的光源，其作用為演示凸透鏡的成像規律. 將多個LED光源在面包板上排列成“F”的形狀，并將其并聯焊接，接入電源即可使用.

3 實驗演示及現象

演示內容可以分為常規實驗和拓展實驗. 常規實驗包括：光的反射與折射、鏡面反射和漫反射、凹凸面鏡對光線的作用、凹凸透鏡對光線的作用、凸透鏡焦距的測量、探究凸透鏡成像規律. 拓展實驗包括：光的全反射、凸透鏡對立體光源的作用、眼睛和眼鏡.

3.1 觀察反射、折射和全反射現象

點燃煙餅，待煙霧在箱內均勻分布，將亞克力磚懸掛在導軌上. 開啟激光光源并且照射亞克力磚的頂部，利用煙霧觀察玻璃磚界面的反射及折射現象. 改變入射點并且調整入射角大于全反射臨界角，可以觀察到玻璃磚內的全反射現象，如圖2所示.

(a) 反射和折射

3.2 凹凸面鏡對光線的作用

將凹凸面鏡組合器件放入滑軌中，開啟類平行光源依次射向凹面鏡和凸面鏡，可以分別觀察到凹面鏡對光線的會聚作用和凸面鏡對光線的發散作用，如圖3所示.

(a)凹面鏡

3.3 鏡面反射和漫反射

將鏡面反射、漫反射組合器件放入導軌中，開啟類平行光源，調整使其照射在器件中心，觀察反射光路，如圖4所示.

(a)漫反射

3.4 凹凸透鏡對光線的作用

將薄凸透鏡(以下簡稱凸透鏡)、薄凹透鏡(以下簡稱凹透鏡)放入導軌中,打開類平行光源，調整使中心光線照射在凸透鏡和凹透鏡的中心，可以分別觀察到凸透鏡對光線的會聚作用和凹透鏡對光線的發散作用，如圖5所示.

(a)凹透鏡

3.5 凸透鏡焦距的測量

將凸透鏡、光屏放入導軌中，刻度尺置于箱子上板面. 開啟類平行光源，使中心光線照在凸透鏡的中心，觀察光線經過凸透鏡會聚，移動光屏，找到焦點，見圖6. 由滑軌上的刻度尺讀出透鏡與光屏2個光具座的距離之差，即得該透鏡的焦距.

圖6 焦距的測量

3.6 探究凸透鏡成像規律

將凸透鏡放置在滑軌適當位置處，F光源和光屏分居凸透鏡兩側，調節三者使其中心等高同軸. 開啟F光源，調節凸透鏡的位置，使物距u>2f,f

(a)u>2f

3.7 眼睛和眼鏡

近視眼及其矯正：將水透鏡和光屏放入滑軌中，開啟類平行光源，調整水透鏡與光屏的位置，使得光線會聚在光屏上. 通過注射器向水透鏡內適當注水模擬近視眼晶狀體的狀態，可以說明近視眼成像在光屏(視網膜)前. 選擇適當的凹透鏡(眼鏡)使光線會聚在光屏(視網膜)上，如圖8所示.

(a)

3.8 凸透鏡對立體光源的作用

放置立體光源，調整其位置. 依次打開光源和小馬達的開關，在導軌中放入凸透鏡，觀察立體光線經過凸透鏡后的會聚現象，如圖9所示.

圖9 立體光源演示

3.9 裝置優點

1)利用煙霧直觀清晰地顯示光路，突破初中光學內容學生無法親眼觀看光路的教學難點.

2)可根據需求更換相關單元，滿足教學的個性化需求，可拆卸、靈活調整和組裝，裝置輕便. 方便教師演示不同光學現象，達到一物多用.

3)巧妙設計倒掛式滑軌以及配套的刻度尺,移動方便，適合教師與學生拓展創新和自主探究.

4 結束語

霧化式幾何光學演示儀對初中幾何光學實驗進行了創新和整合，能更好地幫助學生掌握光的有關知識，構建相關理論體系，達到了優化的效果. 同時，通過實驗演示培養學生正確的物理思維，提高學生的觀察能力、實驗能力和分析歸納的能力，增強教師與學生的互動，讓學生感受到物理學科的魅力所在.