可視化光路實(shí)驗(yàn)盒

晁彩文

摘 要：可視化光路實(shí)驗(yàn)盒主要解決小學(xué)科學(xué)，初高中物理實(shí)驗(yàn)中光路不可見的難題，采用新型無色透明亞克力板材制成的一個規(guī)格為30*15*18cm的帶蓋方形盒，在其底部設(shè)置安裝平面鏡的卡槽，演示教學(xué)時可向盒內(nèi)充入少量煙霧能完成光的直線傳播、光的反射、光的折射、透鏡對光的作用、模擬潛望鏡等關(guān)于光路的實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：可視化 光路 實(shí)驗(yàn)盒

中圖分類號：G62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-01

一、研發(fā)背景

現(xiàn)有的光路實(shí)驗(yàn)盒分為教學(xué)演示類實(shí)驗(yàn)盒和學(xué)生實(shí)驗(yàn)類實(shí)驗(yàn)盒，教學(xué)演示類實(shí)驗(yàn)盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不方便攜帶與搬運(yùn)；學(xué)生實(shí)驗(yàn)類的實(shí)驗(yàn)盒功能多，體積小，但大多是針對高中以上的學(xué)生使用的，對于剛接觸實(shí)驗(yàn)的中小學(xué)生來說過于復(fù)雜，不適于中小學(xué)生的觀察與操作。且現(xiàn)有的光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高（如暗室環(huán)境、強(qiáng)光照射等），由于條件限制，目前中小學(xué)中配備暗室的學(xué)校很少，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)光路知識時，在實(shí)驗(yàn)中無法看到光路，增加了學(xué)生對知識的理解難度。教師在上光學(xué)課程時也困難較大，很多老師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時，為了讓光路可見想盡辦法，費(fèi)盡心思，但在實(shí)驗(yàn)時效果卻不明顯。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求不高，而且光路清晰可見的光學(xué)儀器是中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教師急需解決的問題。

二、結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

為解決可視化實(shí)驗(yàn)盒技術(shù)上的問題，筆者在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用了如下的技術(shù)方案：采用新型的透明亞克力板制成一個長寬高分別為30*15*18cm的透明空心帶蓋盒體，盒體底面內(nèi)設(shè)有三個用于卡接平面鏡的卡槽，盒體側(cè)面上還設(shè)有三個用于安放激光燈的通光孔。（附圖1）

采用以上結(jié)構(gòu)后，可視化實(shí)驗(yàn)盒具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，通過在卡槽中放置平面鏡、在通光孔放置激光燈能夠完成光的直線傳播、光的反射、光的折射、透鏡對光的作用、物體的顏色與吸熱、模擬潛望鏡等關(guān)于光路的實(shí)驗(yàn)，適合中小學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的操作。且實(shí)驗(yàn)盒利用無色透明亞克力板材組成，即解決了玻璃容器易碎的難題，又輕巧且透光率好，光路清晰可見，儀器便于操作，安全性也提高很多。

三、工作原理

利用蚊香產(chǎn)生的煙霧作媒介，當(dāng)燈光照射到煙霧時煙霧對光進(jìn)行漫反射，這樣就會從各個方位清晰的看到光經(jīng)過的路徑。

四、教學(xué)實(shí)施過程

1.光的直線傳播：將點(diǎn)燃的蚊香放入

盒體內(nèi)，蓋上盒蓋，使盒體內(nèi)充滿煙霧，

用激光燈從盒體的任何一側(cè)面照入，都可

以觀察光的傳播路徑（附圖2）。

2.光的反射：在卡槽1上卡接平面鏡，

將點(diǎn)燃的蚊香放入盒內(nèi)，蓋上盒蓋，使盒

內(nèi)充滿煙霧，用激光燈從盒體側(cè)面的通光

孔以45度角入射，并使光照射到平面鏡上，

從盒體正上方觀察，就可以看到光的反射

現(xiàn)象。若要研究初中物理中的光的反射定律

可事先在卡槽1的前方緊貼卡槽平放一量角器，操作過程中將入射點(diǎn)恰好放在量角器的圓心處并將90度角所對的線看作是法線，再從正上方觀察就可得出光的反射定律（附圖3）。

3.光的折射：先在盒體內(nèi)部倒入

1/2的水，為光路可見可在水中加入

少許的牛奶，將點(diǎn)燃的蚊香從通光孔

處伸入，使盒體中剩下部分充滿煙霧，

再用激光燈斜著從上到下照射，就可

看到光的折射現(xiàn)象。若要研究初中物

理中的光的折射定律，只要事先在盒

體的外壁上豎直向下畫一條線，且入射點(diǎn)恰好放在豎直線和水面的交點(diǎn)處即可得出光的折射定律（附圖4）。

4.透鏡對光的作用：先在盒體內(nèi)

放入凸透鏡或凹透鏡，并調(diào)節(jié)透鏡使

透鏡的中心點(diǎn)和第二個透光孔的中心

在同一條直線上，點(diǎn)燃蚊香放入盒體

內(nèi)，蓋上盒蓋，使盒內(nèi)充滿煙霧，再

將三個激光燈打開后卡在三個透光孔

上，從正前方觀察就可看到透鏡對光

的作用了。實(shí)際在這一步中也可放入凸面鏡和凹面鏡，同樣的方法可觀察到凸面鏡和凹面鏡對光的發(fā)散作用和會聚作用（附圖5）。

5.物體的顏色與吸熱實(shí)驗(yàn)：在盒體內(nèi)側(cè)壁上放一張白紙，將點(diǎn)燃的蚊香放入盒體內(nèi)，蓋上盒蓋，使盒體內(nèi)充滿煙霧，并用激光燈向白紙照射時可微弱看到被反射的光線（有時是一個很大的光斑），將白紙換成黑紙，看不到反射光線（看到的光斑很小且干凈利落），說明白色反射所有光線而黑色吸收所有光線。

6.模擬潛望鏡實(shí)驗(yàn)：在卡槽1、

卡槽2、卡槽3內(nèi)分別放置平面鏡，

點(diǎn)燃蚊香使盒體內(nèi)充滿煙霧，讓一束

光以45度角照射卡槽1或卡槽3中平

面鏡，從盒體正上方觀察就可看到光

線通過另外兩個平面鏡反射的路徑，可

模擬潛望鏡的工作原理（附圖6）。

五、改進(jìn)點(diǎn)

在實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)在做光的反射實(shí)驗(yàn)時，為了得到光的反射定律，入射光貼著量角器入射效果會更好，但由于有一厘米深的卡槽是用亞克力板制成，且剛好擋在平面鏡的前方，使反光率降低，一定程度上會影響實(shí)驗(yàn)效果，所以筆者想在卡槽1的中間處開一小孔，使入射光能照到平面鏡。

可視化光路實(shí)驗(yàn)盒巧妙的在大空間中隔離出一個完全通透的小空間，從而使大空間中無法實(shí)現(xiàn)的光路實(shí)驗(yàn)在小空間中得以呈現(xiàn)，既解決了光路不可見的難題，也降低了教與學(xué)的難度。