教具“多功能水箱”

田艷 郭長江

摘??? 要： 本文展示了一個自制的實驗教學(xué)儀器“多功能水箱”，它可以有效演示光的全反射、特體內(nèi)部壓強的規(guī)律和虹吸等實驗現(xiàn)象，達(dá)到了一個教具，多功能展示的效果，可以有效拓展學(xué)生思維，強化實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 全反射??? 多功能??? 水箱

在現(xiàn)實生活中，光的全反射現(xiàn)象及其原理已被廣泛應(yīng)用，如光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡、光纖傳感器及光纖通信等。光纖是一種由玻璃或塑料制成的纖維，由兩層折射率不同的材料組成，一般內(nèi)芯玻璃的折射率比外芯大，當(dāng)光線射到內(nèi)芯和外芯界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時，光線透不過界面，全部反射，這就是光纖傳輸原理——光的全反射。

一

為了更好地在高中物理課堂上演示光的全反射實驗，我們自行設(shè)計、制作了一個實驗裝置，即“導(dǎo)光水柱”，實驗裝置如圖一所示。該裝置的實驗?zāi)康氖鞘箤W(xué)生通過該演示實驗了解彎曲水柱的導(dǎo)光現(xiàn)象，理解光在光密與光疏介質(zhì)界面的全反射的工作原理。

圖一??? 導(dǎo)光水柱的實驗實物圖

該實驗裝置的實驗原理是光由光密介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中的折射率大）射到光疏介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中的折射率小）的界面時，當(dāng)光線入射角大于臨界角時，光線透不過界面，全部反射。其中光有光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，入射角一般比折射角小，當(dāng)入射角增加到一定值時，折射光線沿介質(zhì)表面進行，即折射角為90°，則該入射角稱為臨界角。

我們利用導(dǎo)光水柱演示光的全反射的原理，在大水槽和小水槽底部都放入適量的水，大水槽的水要淹沒潛水泵10cm左右，這樣不容易損壞潛水泵，將激光筆對準(zhǔn)小水槽出水孔的側(cè)面，打開激光筆電源，調(diào)節(jié)激光筆角度，使出光方向正對出水孔，可以看到紅色激光是沿直線傳播的。打開潛水泵電源，為小水槽上水，至加滿水槽，有多余的水從出水孔流出，我們可以發(fā)現(xiàn)紅色激光彎曲了，用一個白色紙板接住流出的水會發(fā)現(xiàn)有紅色激光，激光隨水流彎曲了，這就是導(dǎo)光水柱的實驗現(xiàn)象。如圖二所示，一束激光從小水槽側(cè)面穿過出水孔，光路不再沿水平方向射出，而是隨著水流的方向射出。

圖二??? 導(dǎo)光水柱全反射的光路

本教具用于高中物理課堂演示，結(jié)合光的全反射知識，首先可以作為光的全反射這一節(jié)新課的導(dǎo)入，讓學(xué)生觀看到神奇的實驗演示效果，設(shè)置疑問，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進而展開全反射的實驗教學(xué)，并在新課結(jié)束之后讓學(xué)生畫出光的傳播路線，首尾呼應(yīng)，還可以檢驗本節(jié)課的實驗效果。其次可以作為講解光導(dǎo)纖維的課堂引申和實驗探究活動，在新課結(jié)束之后，教師向?qū)W生展示，啟發(fā)學(xué)生思考該裝置的實驗原理，并畫出光路圖進行分析。

二

我們設(shè)計的教具不僅可以演示光的全反射，還可以演示其他物理概念，只需要對實驗器材改造一下即可，見下列四種實驗設(shè)計。

1.高中物理：平拋運動

利用小水槽出水孔噴出水的軌跡作為解釋平拋運動現(xiàn)象。

2.初中物理：探究液體內(nèi)部壓強的特點

在小水槽上多打了高度不同的兩個孔，可以演示探究液體內(nèi)部壓強與深度（或種類）之間的關(guān)系的實驗。如圖三所示，液體的深度越深，液體內(nèi)部的壓強越大，液體射程越遠(yuǎn);在同一深度處，液體的密度越大，液體內(nèi)部的壓強越大，射程越遠(yuǎn)。

圖三??? 探究液體內(nèi)部壓強的特點的原理圖與實物圖

3.初中物理：虹吸現(xiàn)象

虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與勢能差造成的，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于管口水面承受不同的大氣壓力，水會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直到兩邊的大氣壓力相等，容器內(nèi)的水面變成相同高度，水就會停止流動。如圖四所示，利用虹吸現(xiàn)象可將容器內(nèi)的水抽出，其中重力在虹吸過程中扮演了重要角色。

利用虹吸原理必須滿足三個條件：第一，管內(nèi)先裝滿液體;第二，管的最高點距上容器的水面高度不得高于大氣壓支持的水柱高度;第三，出水口比上容器的水面低，這樣使得出水口液面受到向下的壓強（大氣壓加水的壓強）大于向上的大氣壓，保證水能流出。

圖四??? 虹吸實驗原理圖和實物圖

4.初中物理：自制潛水艇

潛水艇既能夠在水面上航行，又能夠潛入水底航行，這就需要上潛和上?。簼撍в幸粋€很大的壓載艙，潛水艇自身體積始終不變，所受浮力也不變，通過改變自身重量實現(xiàn)浮沉。當(dāng)打開進水口，往里面灌水后，自身重量增加而下潛;當(dāng)用壓縮空氣將艙內(nèi)的水壓出，潛艇自身重量減輕而上浮。

如圖五所示，本實驗通過大容量針筒吸出瓶內(nèi)（壓載艙）空氣，瓶子吸入水增加自身重力而下潛，通過針筒壓入瓶內(nèi)空氣，排出瓶中水減輕自身重力而上浮。

圖五??? 潛水艇的原理圖和實物圖

“導(dǎo)光水柱”教具原本是作為光的全反射這一節(jié)新課的導(dǎo)入，但是經(jīng)過精心設(shè)計，可演示其他各類試驗，“多功能水箱”教具實現(xiàn)了多功能的演示效果。將此裝置作為演示教具的好處：一是新穎，可活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。二是聯(lián)系高科技，高科技并不是遙不可及的，而是以平時所學(xué)知識為基礎(chǔ)。三是可自己動手制作，學(xué)以致用，即利用已學(xué)知識，學(xué)生能夠憑借豐富的想象力進行探究，從而增加學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的熱忱，實現(xiàn)情感態(tài)度與價值觀維度的教學(xué)目標(biāo)。