多功能光路顯示儀的自制與創(chuàng)新

李倬

摘 要：自制光路顯示儀中的零部件大多來(lái)源于生活中的廢舊物品，外觀透明、輕巧，可360度旋轉(zhuǎn)，能夠在不移動(dòng)臺(tái)上器材的情況下，使坐在不同位置的學(xué)生清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。自制的多功能光路顯示儀可演示光的傳播規(guī)律、透鏡對(duì)光線的作用、模擬眼睛成像及視力矯正等六個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，效果良好。

關(guān)鍵詞：多功能；光路顯示儀；自制；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）11-0010-4

在初中物理光學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，對(duì)于光的傳播規(guī)律的探究需要想辦法顯示出光的傳播路徑。實(shí)際教學(xué)中一般采用在空氣中制造煙霧、在水中加牛奶（或硝酸銀）等方法，但是煙霧會(huì)很快散盡，加雜質(zhì)的水對(duì)光傳播的削弱很明顯，影響顯示效果，造成光路顯示不清。實(shí)驗(yàn)室中配備的顯示儀體積龐大不便于移動(dòng)攜帶，且配套的半圓形玻璃磚個(gè)頭很小，光在其中的傳播路徑很短，不便于學(xué)生觀察。另外，相對(duì)正常眼，近（遠(yuǎn)）視眼的成像不僅因光路難以顯示而不易觀察，更由于其矯正即因普通透鏡無(wú)法變焦而不易操作，致使不少物理教師放棄這些實(shí)驗(yàn)的演示。為了解決光學(xué)教學(xué)中的這些問(wèn)題，制作了下面這套光路顯示儀。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

（1）裝置一：可調(diào)光源支架

如圖1所示，光源支架由亞克力板制成的長(zhǎng)、寬、高分別為4.5 cm、1.5 cm、40 cm的長(zhǎng)方體立柱粘合在一長(zhǎng)、寬、高分別為10 cm、4.5 cm、1.5 cm的底座上制成，內(nèi)部封裝有一可自由移動(dòng)的邊長(zhǎng)為3.5 cm的正三角形亞克力板，板面上粘有三塊呈“品”形分布的強(qiáng)磁鐵。用亞克力板制成長(zhǎng)、寬、高分別為10 cm、5 cm、2.5 cm兩端開口的光源盒，盒外壁也粘有呈“品”形分布的三塊強(qiáng)磁鐵，能被緊密吸引在支架上。兩只直徑為2.2 cm的綠光激光燈可并排插入光源盒，移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)光源盒即可調(diào)整光源的高度和光線角度。

（2）裝置二：光路顯示儀（一）

如圖2所示，主體是由亞克力板拼裝成的長(zhǎng)、寬、高分別為40 cm、3.5 cm、30 cm的長(zhǎng)方體盒子，盒底下面裝有兩個(gè)6 cm×3 cm的底腳來(lái)增加穩(wěn)度，盒頂兩端用合頁(yè)分別連接兩塊18 cm×3.5 cm可掀起的盒蓋，兩盒蓋間裝有一塊4 cm×3.5 cm的加固連接板。內(nèi)部距盒底11 cm處裝有一與盒底平行的橫隔板，橫隔板上粘有12 cm×2 cm的玻璃鏡面和彎折成不規(guī)則波浪狀的鍍膜反射面。可折疊角度盤是由亞克力板裁割出的兩個(gè)半徑為9 cm的半圓，小合頁(yè)把兩個(gè)半圓連接，圓周刻有分度值為10 °的角度線，并在圓周粘有強(qiáng)磁鐵如圖2所示，盒內(nèi)對(duì)應(yīng)位置分別放一強(qiáng)磁鐵就可把角度圓盤吸附在盒子外壁任意位置上。

（3）裝置三：光路顯示儀（二）

如圖3所示，主體為亞克力板制成的長(zhǎng)、寬、高分別為30 cm、5.5 cm、10 cm的長(zhǎng)方體盒子，盒頂兩端用合頁(yè)連接有三塊10 cm×5.5 cm可掀起折疊的盒蓋，內(nèi)部距左端10 cm處并列裝有兩片高4 cm的水透鏡放置支架，上面放置自制的直徑為5 cm的水透鏡，水透鏡通過(guò)長(zhǎng)約15 cm的細(xì)橡膠管與放在盒外的規(guī)格為20 mL的注射器相連，利用注射器改變水透鏡內(nèi)水量的多少以此來(lái)改變水透鏡的焦距，模擬晶狀體的改變，透明盒右壁作為模擬視網(wǎng)膜。左端距盒頂1 cm的前后兩面裝有與盒底平行的放置透鏡的軌道，軌道右端前后兩面之間連接有頂部加固連接桿。演示用的透鏡及鏡片都通過(guò)規(guī)格為2 cm×0.5 cm的豎連桿粘合在規(guī)格為5 cm×1.5 cm的橫桿上，然后把橫桿放置在鏡片軌道適當(dāng)位置使鏡片掛放在透明盒中。

（4）裝置四：旋轉(zhuǎn)底座

如圖4所示，底座上端是一塊長(zhǎng)、寬、高分別為50 cm、20 cm、1.5 cm的長(zhǎng)方體聚合板，聚合板四個(gè)角下方分別裝有比底座高度略短的防傾倒螺釘。底座是酒盒的頂蓋，該盒蓋中心內(nèi)有一直徑為3 cm、高2 cm的圓柱，可做轉(zhuǎn)軸。另一酒盒塑料底座中心剛好有一圓孔，把直徑擴(kuò)大到3.1 cm，剛好套在上面盒蓋的中心圓柱上，在圓柱伸出圓孔部分沿直徑方向打兩個(gè)小孔，插入一根廢水筆芯，底座和轉(zhuǎn)軸就連成一體。使用時(shí)，裝置一、二、三放在該旋轉(zhuǎn)底座上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作演示，可360度水平旋轉(zhuǎn)。

2 材料來(lái)源

2.1 廢物利用

裝置二中，不規(guī)則波浪狀的鍍膜反射面由塑料酒盒底座鍍膜面改裝，玻璃鏡面由鏡面廢料加工而成。裝置三中，水透鏡頂部連接橡膠管部分由學(xué)生用過(guò)的水筆芯的筆頭改裝而成，水透鏡透明圓環(huán)由塑料酒盒上固定酒瓶口的內(nèi)環(huán)改裝而成，彈性膜由透明薄輕質(zhì)氣球改裝而成，注水裝置由醫(yī)用20 mL注射器改裝。裝置四中的聚合板由木工廢料加工而成，下方轉(zhuǎn)軸由酒盒頂蓋、底座及廢水筆芯改造加工而成。

2.2 網(wǎng)上購(gòu)買

亞克力板（可用透明酒盒代替）、強(qiáng)磁鐵、激光燈。

3 使用說(shuō)明

3.1 探究光在空氣、水中的傳播路徑

器材：裝置一、裝置二、裝置四、濃糖水、煙霧。

步驟：

（1）按圖5所示擺放好實(shí)驗(yàn)器材，先在裝置二中加入濃糖水至虛線處，然后在水面上方空間內(nèi)噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調(diào)節(jié)裝置一的光源盒到適當(dāng)高度，旋轉(zhuǎn)鑰匙開關(guān)點(diǎn)亮任一激光燈，使發(fā)出的激光水平射入濃糖水中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3）升高光源盒的高度，使發(fā)出的激光水平射入空氣中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

結(jié)論：光在同種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。

3.2 觀察鏡面反射和漫反射

器材：裝置一、裝置二、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖5所示擺放好實(shí)驗(yàn)器材，在反射面上方空間內(nèi)噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調(diào)節(jié)光源盒到適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌炔Ⅻc(diǎn)亮兩只激光燈，讓兩平行光束斜射到平面鏡上，觀察經(jīng)平面鏡反射后的反射光線。

（3）調(diào)節(jié)光源盒的角度，讓兩平行光束斜射到彎折面鏡上，觀察經(jīng)彎折面鏡反射后的反射光線。

結(jié)論：平行光經(jīng)平面鏡反射后仍平行，這種反射叫做鏡面反射；平行光經(jīng)曲面反射后不再平行，而是射向各個(gè)方向，這種反射叫漫反射。

3.3 探究光的反射規(guī)律

器材：裝置一、裝置二、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖6所示擺放好實(shí)驗(yàn)器材，向裝置二中噴入適量煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調(diào)節(jié)光源盒到適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌?，旋轉(zhuǎn)鑰匙開關(guān)點(diǎn)亮任一激光燈，使發(fā)出的激光斜射到平面鏡上的適當(dāng)位置。然后移動(dòng)角度圓盤，使圓盤水平分界線與反射面重合，圓盤中心與入射點(diǎn)重合。觀察并讀出反射角和入射角。改變?nèi)肷浣堑拇笮?，多次?shí)驗(yàn)，并觀察反射光線、法線和入射光線的相對(duì)位置關(guān)系。

（3）將反射光對(duì)應(yīng)的半個(gè)角度圓盤向后折轉(zhuǎn)一個(gè)角度，旋轉(zhuǎn)水平轉(zhuǎn)臺(tái)，觀察發(fā)現(xiàn)該半個(gè)角度圓盤上并沒(méi)有反射光，反射光仍在原位置。

結(jié)論：光反射時(shí)，反射光線，入射光線與法線在同一平面內(nèi)；反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)，反射角等于入射角。

3.4 探究光的折射規(guī)律

器材：裝置一、裝置二、裝置四、煙霧、濃糖水。

步驟：

（1）按圖6所示擺放好實(shí)驗(yàn)器材，先在裝置二中加入濃糖水至虛線處，然后在水面上方空間內(nèi)噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調(diào)節(jié)光源盒到適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌?，旋轉(zhuǎn)鑰匙開關(guān)點(diǎn)亮任一激光燈，使發(fā)出的激光從空氣斜射到濃糖水中。然后移動(dòng)角度圓盤，使圓盤水平分界線與水面重合，圓盤中心與入射點(diǎn)重合，比較折射角和入射角的大小，并觀察折射光線、法線和入射光線的相對(duì)位置關(guān)系。然后，改變?nèi)肷浣谴笮?，觀察折射角的變化情況。

（3）將折射光對(duì)應(yīng)的半個(gè)角度圓盤向后折轉(zhuǎn)一個(gè)角度，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，觀察發(fā)現(xiàn)該半個(gè)角度圓盤上并沒(méi)有折射光，折射光仍在原位置。

（4）調(diào)節(jié)光源盒到適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌?，讓光從濃糖水斜射到空氣中，比較折射角和入射角的大小。

（5）調(diào)節(jié)光源盒到適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌龋尮鈴目諝庵写怪彼嫔淙胨?，比較折射角和入射角的大小。

結(jié)論：光折射時(shí)，折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)，折射角隨入射角的增大而增大，隨入射角的減小而減小。

3.5 探究凸（凹）透鏡對(duì)光線的作用

器材：裝置一、裝置三、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖7所示擺放好實(shí)驗(yàn)器材，在透明盒內(nèi)噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）用注射器向水透鏡中注入適量的水，使其為凸透鏡。讓兩平行光束水平射向水透鏡，觀察經(jīng)水透鏡折射后的光線。

（3）用注射器從水透鏡中抽出適量的水，使其為凹透鏡。讓兩平行光束水平射向水透鏡，觀察經(jīng)水透鏡折射后的光線。

結(jié)論：凸透鏡對(duì)光線有會(huì)聚作用，凹透鏡對(duì)光線有發(fā)散作用。

3.6 眼睛與視力糾正

器材：裝置一、裝置三、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖7所示擺放好實(shí)驗(yàn)器材，在透明盒內(nèi)噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）讓兩平行光束水平射向水透鏡，用注射器調(diào)節(jié)注入的水量，使會(huì)聚點(diǎn)剛好落在模擬視網(wǎng)膜上。

（3）用注射器向水透鏡注入適量的水，使會(huì)聚點(diǎn)落在模擬視網(wǎng)膜前方。

（4）在裝置三透鏡軌道上放置一個(gè)近視鏡，調(diào)節(jié)好位置，使會(huì)聚點(diǎn)恢復(fù)落在模擬視網(wǎng)膜上。

（5）用注射器從水透鏡中抽出適量的水，使會(huì)聚點(diǎn)落在模擬視網(wǎng)膜后方。

（6）在裝置三的透鏡軌道上放置一個(gè)老花鏡，調(diào)節(jié)好位置，使會(huì)聚點(diǎn)恢復(fù)落在模擬視網(wǎng)膜上。

結(jié)論：焦距合適的凹透鏡能矯正近視眼，焦距合適的凸透鏡能矯正遠(yuǎn)視眼。

4 該套裝置的特點(diǎn)及創(chuàng)新

裝置一、二、三主體都是用亞克力板粘合而成，透明、輕便、靈巧。光源支架立柱內(nèi)封裝有一粘有“品”形強(qiáng)磁鐵的三角形亞克力板，能和光源盒外壁的品形強(qiáng)磁鐵對(duì)應(yīng)吸附在一起，光源盒可根據(jù)需要沿立柱上下移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。

在裝置二內(nèi)裝入的濃糖水，因糖分子較大，光通過(guò)濃糖水時(shí)散射比較明顯，從而使光在其中傳播時(shí)路徑能清晰呈現(xiàn)。在糖水上部空間噴入適量煙霧后，馬上把蓋子蓋上可防止煙霧消散，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一般不需補(bǔ)充加煙，就能保障光在空氣中的路徑長(zhǎng)時(shí)間清晰呈現(xiàn)?？烧郫B角度盤利用盤上固定的兩粒強(qiáng)磁鐵與盒內(nèi)自由強(qiáng)磁鐵相吸，能停留在透明盒外壁任一位置。入射光線方向固定后，可調(diào)整角度盤使入射點(diǎn)與盤中心重合、盤上橫刻線與反射面重合。讓兩條平行光分別斜射向鏡面和彎折反射面，能把鏡面反射和漫反射的光路清晰呈現(xiàn)。

在裝置三中噴入適量煙霧后蓋上蓋子，利用注射器改變水透鏡的凸凹程度，即可演示凸、凹透鏡對(duì)光線的會(huì)聚、發(fā)散作用及正常眼視物光路、近（遠(yuǎn)）視眼視物光路。其中的置鏡軌道能方便把帶有吊架的鏡片放在上面，便于鏡片的移動(dòng)、取放，在水透鏡及光源間置鏡軌道的適當(dāng)位置上掛放凹（凸）透鏡片即可演示近（遠(yuǎn)）視眼的矯正光路。

利用木工板和酒盒頂蓋底座改裝的旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)可360度旋轉(zhuǎn)，能在不移動(dòng)臺(tái)上器材的情況下多角度全方位進(jìn)行現(xiàn)象觀察，四角下方的防傾倒螺釘能預(yù)防載物臺(tái)受力不勻而翻轉(zhuǎn)，避免器材掉落損壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書編寫組.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書：物理8年級(jí)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

（欄目編輯 趙保鋼）