物理實驗中光的妙用

(東南大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 南京 211189)

實驗是物理學(xué)習(xí)的重要組成部分，直觀形象的實驗對理解物理知識有很大的幫助作用，利用人們對光的敏感，把一些物理實驗現(xiàn)象利用光來演示，不但能增加實驗的可視性，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和探究欲望，從而對掌握物理知識產(chǎn)生意想不到的效果.

1 利用二極管的發(fā)光特性，制作光顯測力計與變阻器

圖1

圖2

光可以影響神經(jīng)的興奮性，在實驗中能利用同學(xué)們對光的敏感性，對一些常見儀器進(jìn)行改進(jìn)，在實驗中就可以提高興奮度和關(guān)注度，記憶也就比較深刻.如圖1所示，通過對彈簧測力計的改造，我們在刻度盤的整數(shù)刻度處安裝各色二極管，當(dāng)拉力增大時，隨著指針向下移動，所在刻度的二極管一個一個的點亮，這些發(fā)光二極管會有效吸引學(xué)生注意力，可視性大大增加，后排的同學(xué)也會清楚的看到指針的大致位置.其工作原理如圖2所示，指針帶動彈簧伸長時，二極管一端的導(dǎo)電絲接觸指針或彈簧，指針以上的二極管就會通電發(fā)光，指示刻度.

對于滑動變阻器的不同接法，到底電流經(jīng)過了哪部分電阻，對于初學(xué)滑動變阻器的同學(xué)來說是個難點.如果能把滑動變阻器的電阻絲周圍固定一些二極管，當(dāng)接入電路時，有電流流過的那部分電阻上對應(yīng)的二極管就會發(fā)光，這樣的光顯滑動變阻器不但能引起同學(xué)們的注意力，對理解滑動變阻器的工作原理也很有幫助.其實物如圖3，其原理是把定值電阻和發(fā)光二極管并聯(lián)在一起作為發(fā)光指示單元，若干個發(fā)光指示單元相串聯(lián)，以此來替代滑動變阻器的電阻線圈，實現(xiàn)對滑動變阻器連入電路的電阻部分的光顯示.

圖3

2 利用光影改進(jìn)物理實驗，演示波的傳播與彩色瀑布

圖4

圖5

光影具有直觀、形象、具體等特點，如果能利用影子把運動和變化展現(xiàn)出來，提供生動直觀的圖像，可幫助學(xué)生加深對物理規(guī)律的理解.如演示橫波的形成與傳播時，用一根粗彈簧，通過拉伸，裝置在一個木箱中，原理如圖4，木箱外裝置把手可以搖動，利用透過凸透鏡的平行光投影，彈簧在前面的毛玻璃板上就出現(xiàn)了栩栩如生的橫波，搖動彈簧，波開始運動，彈簧上夾上一個小夾子，并豎直放一支鉛筆，就可以演示波的前后移動是質(zhì)點的上下移動形成的，多加幾個夾子，顯示的波動形成更為直觀，把這個光影機(jī)械波裝置安裝在暗箱里，白天演示也很清晰，實物見圖5，裝置內(nèi)更換軟質(zhì)彈簧，就可以演示縱波的形成與傳播.利用這個波動演示器去認(rèn)識波形、振動狀態(tài)以及波速、周期，就會使抽象的波具體化、形象化、趣味化.

利用彩色瀑布演示光的全反射，如果把礦泉水瓶下端鉆一個小孔，用紅色的激光透過礦泉水瓶對著小孔照射，當(dāng)角度合適時會發(fā)現(xiàn)紅色的激光束會隨著彎曲的水流留下來，利用水流的這種全反射現(xiàn)象，可以設(shè)計一個彩色瀑布，一束激光通過多根光纖延伸到瀑布頂端，調(diào)整好角度，當(dāng)瀑布落下時，一條條激光會在水中若隱若現(xiàn)，光隨水飄散，出現(xiàn)十分奇異的物理現(xiàn)象.

3 利用壓強(qiáng)演示透鏡的折射，利用磁場演示電流的受力

圖6

凸透鏡對光線具有匯聚作用，凹透鏡對光線具有發(fā)散作用，利用透鏡的這種性質(zhì)演示液體壓強(qiáng)隨深度的增加而增大，會發(fā)現(xiàn)實驗中的奇特現(xiàn)象.如圖6所示，玻璃槽上端用薄膜封入一定量氣體，使上端突起，固定在大容器底部，玻璃槽下端有并排多束激光照射.當(dāng)慢慢在大容器中倒入液體時，薄膜在液體壓強(qiáng)的作用下會慢慢壓縮，由突起變成水平，再變成凹陷，可以看到當(dāng)薄膜為凸形時，激光束發(fā)散，當(dāng)薄膜為水平時，激光束平行射出，當(dāng)薄膜為凹形時，激光束匯聚，液體越深，壓強(qiáng)越大，薄膜凹陷越明顯，匯聚能力越強(qiáng).這種空氣透鏡發(fā)生的折射現(xiàn)象一定會引起同學(xué)們?nèi)ヌ骄吭?，從而知道這種空氣透鏡在水中的折射實際上與玻璃透鏡在空氣中的折射正好相反.為提高這個實驗的可視性，液體最好用膠體代替，多束平行激光可以用一束激光通過分光鏡或半透半反透鏡獲得.

另外也可以利用高壓放電演示磁場對電流的作用，如利用電子感應(yīng)圈產(chǎn)生高壓放電如同閃電一樣具有聲光效果，這條閃電本身就是一條電流，如果能把這條電流放入磁場，這條電流同樣會發(fā)生偏轉(zhuǎn)(如圖7)，在一個圓形的容器內(nèi)部中間固定一鐵釘，周圍固定兩排帶尖的鐵棒，并連接起來，用電子感應(yīng)圈通過尖端放電，一條條的閃電便產(chǎn)生了，再將磁鐵置于裝置下方，移動磁鐵，閃電便會在聲光中移動旋轉(zhuǎn)，改變磁鐵的極性或旋轉(zhuǎn)方向，閃電的移動旋轉(zhuǎn)情況也會相應(yīng)改變.

圖7

可見，利用人對光的敏感性改進(jìn)一些物理實驗不但能提高可視度，也會使實驗的效果大大增強(qiáng)，同時讓同學(xué)們更好的認(rèn)識物理現(xiàn)象、學(xué)習(xí)物理概念、理解物理規(guī)律、提高學(xué)習(xí)興趣.

參考文獻(xiàn)：

張憲魁．實施物理科學(xué)方法教育的策略談[J]．物理教學(xué)探討，2014，(1)．