自制多功能光學實驗探究儀

陳斯鈿 李德安 黃大平 羅釗穎

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，物理學中豐富多彩的實驗現(xiàn)象不僅能培養(yǎng)學生的學習興趣，還能在實驗過程中培養(yǎng)學生的科學探究能力.光學現(xiàn)象作為自然界中常見的現(xiàn)象，與我們的現(xiàn)實生活聯(lián)系密切，因此光學部分的內(nèi)容也是中學物理教學中的重點之一.

該部分內(nèi)容要求學生掌握光的各種現(xiàn)象，會用光學的基本知識來解釋生活中常見的光學現(xiàn)象.但現(xiàn)階段的光學教具演示效果較差，特別是某些光學實驗中的光路得不到較好的呈現(xiàn)，導致學生缺乏充分的感官刺激.同時,現(xiàn)階段的光學教具整體性較低，教師需要在實驗準備上花費較多的時間和精力.因此，針對傳統(tǒng)光學教具的不足，筆者設(shè)計了多功能光學實驗探究儀，將中學的光學實驗進行充分的整合，以達到“一物多用”的目的，同時給學生提供直觀的現(xiàn)象刺激，讓學生掌握必要的知識，以培養(yǎng)學生正確的物理思維.

2 實驗原理

本裝置所能演示的實驗分為常規(guī)實驗與拓展實驗，如表1所示.

表1 常規(guī)實驗與拓展實驗列表

2.1 顯示光路的原理

本裝置所演示的實驗均需要顯示出光路，因此需要營造一個能夠顯示光路的環(huán)境.傳統(tǒng)的實驗方法是配制膠體溶液(比如在清水中加入幾滴牛奶)或者在密閉的容器中加入煙霧(比如在箱子里點燃艾條)，以上方法顯示出的光路效果并不理想，比如在配制水奶溶液時很難控制牛奶的量，經(jīng)常會加入過多牛奶導致溶液渾濁，并且溶液穩(wěn)定性差，靜置一段時間后演示效果會大打折扣；又比如用煙霧來顯示光路，光路的散射現(xiàn)象比較嚴重，并且會帶來較大的異味.尤其是在探究光的折射定律時，通常需要在配制水奶溶液后另外在溶液上方加入煙霧，操作過程繁瑣且效果較差,如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)顯示光路的效果

經(jīng)過大量試驗后，本裝置最終確定采用有機玻璃條和肥皂溶液來顯示光路.有機玻璃條由于自身的材質(zhì)特點便可顯示出光路，在常規(guī)實驗“光的折射”及拓展實驗“可視化光纖通信”的演示中具有重要的作用.而肥皂溶液采用常見的泡泡水與清水進行混合，配制后溶液依然呈透明狀態(tài)，顯示出的光路清晰可見且不易散射，損耗極低，并且溶液十分穩(wěn)定，靜置長達一周后依然可用于實驗演示.

在營造一個能夠清晰顯示光路的環(huán)境之后，將各光學器件放入溶液中即可演示各項傳統(tǒng)實驗及潛望鏡原理.

2.2 可視化光纖通信原理

光纖由纖芯和包層組成,如圖2所示，由于纖芯的折射率大于包層的折射率，使得以合適角度進入光纖的光能夠在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，再以折線的形式沿著光纖傳播.本裝置利用有機玻璃條模擬光纖中的纖芯，用肥皂溶液模擬光纖中的包層，將有機玻璃條浸沒在肥皂溶液中便組成了模擬光纖.由于有機玻璃條的折射率大于肥皂溶液的折射率，使得以合適角度進入有機玻璃條的光能夠在有機玻璃條和肥皂溶液的界面上發(fā)生全反射，同時有機玻璃條能夠顯示出光路，通過這樣的組合，便可在有機玻璃條中看到光的全反射現(xiàn)象及其光路.

圖2 光纖結(jié)構(gòu)圖

光纖通信是以光作為信息載體而實現(xiàn)的通信.為了將音頻信號調(diào)制為光信號傳播出去，本裝置利用小型功放將手機輸出的音頻信號調(diào)制到激光器上，激光的強度將隨著電信號幅度的變化而發(fā)生變化，激光在有機玻璃條中傳播后到達由太陽能板制成的接收端，由于光強不斷變化，太陽能板將輸出強度不斷變化的微電流，經(jīng)功率放大器放大后將解調(diào)為放大的電信號，輸出到喇叭之后即可發(fā)出聲音,如圖3所示.

圖3 光纖通信原理圖

3 裝置的制作

3.1 使用材料

制作該裝置所需的材料包括水缸、激光筆、透鏡、面鏡、有機玻璃材料、功放、喇叭、電源線等，所需的材料簡單易得，貼近生活實際.

3.2 制作過程

(1)確定各器材的最佳擺放位置及中心高度，設(shè)計各器材的底座.

(2)使用激光切割機、鉆孔機床對有機玻璃材料進行加工，制作各器材的底座，并將激光筆、透鏡、偏振片等器材安裝至底座上，調(diào)試完成后，用以演示各項傳統(tǒng)光學實驗.

(3)裁剪兩片適當尺寸的平面鏡，并固定在支架上，兩個平面鏡相對并保持與水平方向成45°夾角，加設(shè)底座，將整個裝置穩(wěn)定放至水中后，用以演示潛望鏡原理.

(4)將小型功放的輸出端與電芯串聯(lián)后再與激光器相連，組成信號發(fā)射模塊；將太陽能板的兩極與功率放大器的輸入端相連，再將喇叭連接至功率放大器的輸出端，組成信號接收模塊，與信號發(fā)射模塊共同組成光纖通信演示模塊，用以演示可視化光纖通信.

3.3 裝置實物

傳統(tǒng)實驗演示裝置與光纖通信演示裝置如圖4和圖5所示.

圖4 傳統(tǒng)實驗演示裝置

圖5 光纖通信演示裝置

4 實驗演示及現(xiàn)象

在實驗演示之前，需要在水缸中配置肥皂溶液，配置比約為18 L水配兩包泡泡水.

4.1 演示光的直線傳播

接通激光筆電源，讓激光射入溶液，可在水缸中看到一條清晰筆直的光路，說明光是沿直線傳播的,如圖6所示.

圖6 光的直線傳播

4.2 演示光的反射

接通激光筆電源，讓激光照射到平面鏡上，調(diào)整激光筆的角度，讓入射點位于量角器的圓心，在量角器上可讀出入射角與反射角的角度,如圖7所示.

圖7 光的反射

4.3 演示鏡面反射與漫反射

(1)接通激光筆電源，讓平行激光束照射到平面鏡上，此時可以看見激光束經(jīng)平面鏡反射后平行射出,如圖8所示.

圖8 光的鏡面反射

(2)在缸底放置一塊凹凸不平的鏡面，讓平行激光束照射到鏡面上，此時可以看見平行激光束經(jīng)凹凸不平的鏡面反射后向四面八方射出,如圖9所示.

圖9 光的漫反射

4.4 演示光的折射

將有機玻璃條放至肥皂溶液中，接通激光器電源，調(diào)整激光器的角度至可以同時觀察到入射光線、反射光線和折射光線,如圖10所示.在量角器上可讀出入射角和折射角的角度，代入公式即可求得有機玻璃條相對于肥皂溶液的折射率.

圖10 光的折射

4.5 演示光的全反射

接通激光器電源，調(diào)整激光器的角度至可以同時觀察到入射光線、反射光線和折射光線.緩慢增大入射角，可以觀察到反射光線的亮度在不斷增大，折射光線的亮度不斷減小，當入射角達到某一角度時，反射光線亮度達到最大，折射光線消失，即發(fā)生了全反射現(xiàn)象,如圖11所示，此時在量角器上可讀出臨界角的角度.

圖11 光的全反射

4.6 演示透鏡和面鏡對平行光的作用

(1)將凸透鏡、凹面鏡分別放至肥皂溶液中，接通激光筆電源，讓平行激光束照射到凸透鏡或凹面鏡上，可以觀察到光束被會聚,如圖12和圖13所示.其中，在觀察凸透鏡對平行光的作用時，可以通過刻度尺讀出凸透鏡在水中的焦距；

圖12 凸透鏡對平行光的會聚作用

圖13 凹面鏡對平行光的會聚作用

(2)將凹透鏡、凸面鏡分別放至肥皂溶液中，接通激光筆電源，讓平行激光束照射到凹透鏡或凸面鏡上，可以觀察到光束被發(fā)散,如圖14和圖15所示.

圖14 凹透鏡對平行光的發(fā)散作用

圖15 凸面鏡對平行光的發(fā)散作用

4.7 演示光的偏振

(1)將偏振片放置于肥皂溶液中，接通激光筆電源，讓激光束穿過偏振片，可以看到整條光路具有相同的亮度,如圖16所示.

圖16 光路具有相同的亮度

(2)緩慢旋轉(zhuǎn)偏振片，可以觀察到偏振片前的光路亮度不變，而偏振片后的光路亮度慢慢變暗，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)偏振片，可以觀察到偏振片后的光路達到最暗的亮度,如圖17所示.

圖17 光路經(jīng)偏振片后變暗

該過程非常直觀地展現(xiàn)出了偏振片對激光束作用的過程，也證明了激光是一種偏振光.

4.8 演示潛望鏡原理

把潛望鏡裝置放入肥皂溶液中，讓激光平射入上平面鏡中，可以看到激光被平面鏡反射后豎直向下射入下平面鏡，再經(jīng)反射后沿水平方向從下平面鏡射出,如圖18所示.

圖18 潛望鏡原理

4.9 演示可視化光纖通信

(1)將信號發(fā)射模塊、模擬光纖和信號接收模塊放在同一水平面上，并將有機玻璃條放至肥皂溶液中.接通電源后，調(diào)節(jié)激光器角度，讓激光束在有機玻璃條中發(fā)生全反射，并讓出射光線照射到太陽能板上,如圖19所示；

圖19 光纖通信

(2)用音頻線將手機連接至小型功放的輸入端，開始播放音樂，可以看到激光束產(chǎn)生微弱的光強變化，同時喇叭開始播放出美妙的音樂；

(3)此時如果用手擋住激光，可以發(fā)現(xiàn)音樂立刻停止播放，將手移開之后，音樂恢復播放，以此證明音頻信號是通過激光進行傳輸?shù)模?/p>

(4)用音頻線將麥克風信號放大器的輸出端和小型功放的輸入端連接起來，對著麥克風說話，可以發(fā)現(xiàn)喇叭發(fā)出對應的聲音，從而達到了即時通訊的目的；

(5)將信號接收模塊移至較遠的地方，讓信號發(fā)射模塊和信號接收模塊相隔較遠的距離，調(diào)整激光直接照射到太陽能板上，對著麥克風說話，遠處的喇叭依然能聽到清晰的聲音，充分說明了利用激光進行通信具有傳輸距離遠、傳輸損耗低、傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點.

5 裝置的優(yōu)點

(1)突破傳統(tǒng)，光路可視化.本裝置突破傳統(tǒng)的光路顯示方法，創(chuàng)造性地使用了有機玻璃條和肥皂溶液進行光路的顯示，直觀清晰地展現(xiàn)出了各種光學現(xiàn)象中的光路，給予學生充分的感官刺激；

(2)創(chuàng)新拓展，組合性強.本裝置可以靈活組合使用，除了能夠演示傳統(tǒng)的光學實驗外，還能演示潛望鏡原理、可視化光纖通信等拓展實驗，大大提高了教具的拓展性，同時模塊化的設(shè)計讓器材更換更加方便，適合教師在課堂上進行分模塊教學；

(3)取材新穎，推廣性強.本裝置整體以有機玻璃為材料進行加工，外觀簡潔大方，結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定，提高了教具的耐用性.同時本裝置操作簡單，現(xiàn)象明顯，富有趣味性，能讓學生對物理現(xiàn)象有充分的認知，具有較高的推廣性.

6 結(jié)束語

自制教具在中學物理教學中具有重要的地位和作用，針對現(xiàn)有教具的不足進行改進、創(chuàng)造自制教具，可以大大提高物理實驗的演示效果，給予學生充分的現(xiàn)象刺激，讓學生對物理現(xiàn)象和物理知識有更深地理解.本文所介紹的多功能光學實驗探究儀，正是針對傳統(tǒng)光學教具的不足，在對光學實驗進行整合的基礎(chǔ)上，再進行創(chuàng)新性改進，讓光路的可視效果更加明顯直觀，再結(jié)合生活實際進行拓展應用，大大增強了物理與現(xiàn)實生活之間的聯(lián)系，不僅培養(yǎng)了學生的物理學習興趣，也提高了學生的科學探究能力.