能消除干擾的蜃景探究儀

譚迪熬 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

教材中只用文字對蜃景（即海市蜃樓）進行介紹，缺乏探究有效的實驗，學生難以理解。學校實驗室現有的光學實驗設備嚴重老化，存在無法顯示光路、視覺效果不佳等問題。此外，教師演示實驗時，坐在后排的同學往往無法看清實驗現象。因此，制作一種能生動地探究海市蜃樓現象的儀器很有必要。

查找資料后我發現，目前已有8個探究海市蜃樓現象的設計方案，但其中都沒有消除干擾的方案。此外，這些方案還存在操作復雜、自動化程度低、實驗現象不明顯等問題。不過，它們為我研究能消除干擾的蜃景探究儀提供了啟發。

一、設計制作

本探究儀主要實現以下功能：探究所有類型的海市蜃樓的形成規律；具有攝像儲存系統，能在智能終端隨時播放探究過程。

遵循上述設計理念，在歷時半年的艱難探索后，我設計的能消除干擾的蜃景探究儀終于制作完成。本探究儀的主體部件由支撐系統、干擾消除系統、加液系統、配液系統、換液系統、景觀系統、圖像傳輸系統、輔助系統等組成。配液系統由配液槽、實驗槽、加液板構成，其中，配液槽有6個隔槽。

二、使用方法

以“食鹽溶液—水擴散層”的快捷形成為例。

（一）配液

在配液槽第一個隔槽中加清水，在第六個隔槽中加飽和食鹽水。在第二個隔槽至第五個隔槽中按濃度遞增，配制不同濃度的食鹽溶液。

（二）放置加液板

將帶小孔的泡沫加液板置于實驗槽中。

（三）移液

本探究儀主體結構中的水管一端與蠕動泵相連，另一端為吸液端。配液槽中的水管一端與蠕動泵相連，另一端與加液器相連。啟動蠕動泵，先將配液槽第六個隔槽中的飽和食鹽水抽入加液器內，并通過小水孔往下流入泡沫加液板上，再流入實驗槽。隨著液體的不斷流入，泡沫加液板隨之上升。

依次將配液槽第六個、第五個、第四個、第三個、第二個和第一個隔槽內的液體抽入實驗槽中，快速形成“食鹽溶液—水擴散層”，用于探究上位海市蜃樓。

其他兩種液體的擴散層形成方法與此類似。

三、干擾因素的形成與消除

影響海市蜃樓探究的干擾因素主要有三種：實驗箱內壁反射成像、液面反射成像以及景觀燈本身的景象。

要消除實驗箱正面內壁反射成像，可插裝兩塊透明磨砂板。通過調節遮光簾的高度遮擋內壁的反射成像，消除實驗箱側面內壁反射成像。調節遮光簾的高度遮擋干擾光線，或利用加液板破壞液面反射，消除液面反射成像。

四、共享的實現

高清攝像頭可在任意角度進行拍攝，內含攝像儲存系統，通過無線傳輸方式將實驗與探究過程傳至共享平臺，能隨時在學生手機端和各教室的電子顯示系統播放。

在課堂演示時，多媒體投放實驗過程，后排的同學也能清楚觀察實驗現象。

五、實驗探究

分別演示上位海市蜃樓、下位海市蜃樓、全反射成像、模擬沙漠海市蜃樓、模擬海面海市蜃樓、熱水海市蜃樓的形成過程，探究實驗原理，基本達到了設計的預期效果。

六、創新點

（一）創新性強

本探究儀的結構設計體現了新思路、新視角、新設計。

（二）綜合探究功能強大

利用本探究儀進行探究時，能最大限度地調動同學們的知識儲備，提高其思維能力。還能讓同學們在體驗探究過程中發現新知識，體現了探究性學習的核心價值。

（三）操作簡便

單個實驗操作簡單，多個實驗的操作之間具有連貫性，不必頻繁更換主要實驗材料。實驗現象明顯，能直觀地探究原理。

（四）共享程度高

能用電腦實時播放實驗過程，將實驗探究過程通過互聯網實現共享，開展線上實驗。（指導老師：劉煜民）

1.直立板；2.實驗槽（透明）；3.遮光簾（可伸縮）；4.水位刻度；5.遮光簾（可伸縮）；6.滑軌；7.傳動結構；8.托板；9.遮光簾（可伸縮）；9-1.拖曳桿A；10.托架；11.伸縮板；12.水平刻度；13.角度盤；14.指針；15.立柱A；15-1.滑槽A；16.立柱B；16-1.滑槽B；17.遮光簾（可伸縮）；17-1.拖曳桿B；18.水管A；19.滑動結構；20.萬向桿；21.攝像頭；22.加液器；22-1.小水孔。

教材中只用文字對蜃景（即海市蜃樓）進行介紹，缺乏探究有效的實驗，學生難以理解。學校實驗室現有的光學實驗設備嚴重老化，存在無法顯示光路、視覺效果不佳等問題。此外，教師演示實驗時，坐在后排的同學往往無法看清實驗現象。因此，制作一種能生動地探究海市蜃樓現象的儀器很有必要。

查找資料后我發現，目前已有8個探究海市蜃樓現象的設計方案，但其中都沒有消除干擾的方案。此外，這些方案還存在操作復雜、自動化程度低、實驗現象不明顯等問題。不過，它們為我研究能消除干擾的蜃景探究儀提供了啟發。

一、設計制作

本探究儀主要實現以下功能：探究所有類型的海市蜃樓的形成規律；具有攝像儲存系統，能在智能終端隨時播放探究過程。

遵循上述設計理念，在歷時半年的艱難探索后，我設計的能消除干擾的蜃景探究儀終于制作完成。本探究儀的主體部件由支撐系統、干擾消除系統、加液系統、配液系統、換液系統、景觀系統、圖像傳輸系統、輔助系統等組成。配液系統由配液槽、實驗槽、加液板構成，其中，配液槽有6個隔槽。

二、使用方法

以“食鹽溶液—水擴散層”的快捷形成為例。

（一）配液

在配液槽第一個隔槽中加清水，在第六個隔槽中加飽和食鹽水。在第二個隔槽至第五個隔槽中按濃度遞增，配制不同濃度的食鹽溶液。

（二）放置加液板

將帶小孔的泡沫加液板置于實驗槽中。

（三）移液

本探究儀主體結構中的水管一端與蠕動泵相連，另一端為吸液端。配液槽中的水管一端與蠕動泵相連，另一端與加液器相連。啟動蠕動泵，先將配液槽第六個隔槽中的飽和食鹽水抽入加液器內，并通過小水孔往下流入泡沫加液板上，再流入實驗槽。隨著液體的不斷流入，泡沫加液板隨之上升。

依次將配液槽第六個、第五個、第四個、第三個、第二個和第一個隔槽內的液體抽入實驗槽中，快速形成“食鹽溶液—水擴散層”，用于探究上位海市蜃樓。

其他兩種液體的擴散層形成方法與此類似。

三、干擾因素的形成與消除

影響海市蜃樓探究的干擾因素主要有三種：實驗箱內壁反射成像、液面反射成像以及景觀燈本身的景象。

要消除實驗箱正面內壁反射成像，可插裝兩塊透明磨砂板。通過調節遮光簾的高度遮擋內壁的反射成像，消除實驗箱側面內壁反射成像。調節遮光簾的高度遮擋干擾光線，或利用加液板破壞液面反射，消除液面反射成像。

四、共享的實現

高清攝像頭可在任意角度進行拍攝，內含攝像儲存系統，通過無線傳輸方式將實驗與探究過程傳至共享平臺，能隨時在學生手機端和各教室的電子顯示系統播放。

在課堂演示時，多媒體投放實驗過程，后排的同學也能清楚觀察實驗現象。

五、實驗探究

分別演示上位海市蜃樓、下位海市蜃樓、全反射成像、模擬沙漠海市蜃樓、模擬海面海市蜃樓、熱水海市蜃樓的形成過程，探究實驗原理，基本達到了設計的預期效果。

六、創新點

（一）創新性強

本探究儀的結構設計體現了新思路、新視角、新設計。

（二）綜合探究功能強大

利用本探究儀進行探究時，能最大限度地調動同學們的知識儲備，提高其思維能力。還能讓同學們在體驗探究過程中發現新知識，體現了探究性學習的核心價值。

（三）操作簡便

單個實驗操作簡單，多個實驗的操作之間具有連貫性，不必頻繁更換主要實驗材料。實驗現象明顯，能直觀地探究原理。

（四）共享程度高

能用電腦實時播放實驗過程，將實驗探究過程通過互聯網實現共享，開展線上實驗。（指導老師：劉煜民）