多功能幾何光學(xué)演示儀的開發(fā)與教學(xué)研究

戴瑞 王旎菡

摘? ?要：開發(fā)并制作了一款性能優(yōu)良的多功能幾何光學(xué)演示儀，演示的主要內(nèi)容有：驗證光的反射定律、折射定律;計算紅光和綠光在水中的折射率;通過旋轉(zhuǎn)裝置可以連續(xù)改變?nèi)肷浣?，動態(tài)演示各色光從折射到全反射的變化過程。

關(guān)鍵詞：幾何光學(xué);光的反射;光的折射;光的全反射

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）1-0049-2

1? ? 引? 言

幾何光學(xué)因其研究方法采用歐式幾何法得名，主要研究光在透明介質(zhì)中的傳播規(guī)律。幾何光學(xué)也是初中物理和高中物理的重點知識單元，為了讓學(xué)生更好地理解掌握光的反射、折射、全反射現(xiàn)象，我們開發(fā)并制作了一款性能優(yōu)良的多功能幾何光學(xué)演示儀。演示儀選材常見易得、制作方法簡單，實驗效果明顯，方便用于課堂上演示。本文研究內(nèi)容是我們前期研究工作的延續(xù)[1]。相比于前期的研究工作，這臺演示儀體現(xiàn)在一體化上，操作更為方便，在某些方面彌補了前期研究工作的不足。

2? ? 演示儀的開發(fā)與制作

多功能幾何光學(xué)演示儀的主體裝置是一個長方體水槽，如圖1（a）所示，水槽材質(zhì)是有機玻璃板，尺寸是50 cm×25 cm×30 cm，厚度為5 mm，上端開口。在前后兩面對應(yīng)位置各開一個直徑為85 mm的圓形孔洞，將一個外徑為85 mm、內(nèi)徑為81 mm、長為25 cm的圓柱形有機玻璃管嵌套其中，用玻璃膠密封好，確保不漏水?？捎煤谏珖娖幔ɑ蚝谏菽澹﹪姖M水槽背面，利于觀察演示實驗現(xiàn)象。

紅光、綠光、藍(lán)光、紫光激光筆頭各1支：紅光激光筆頭輸出波長為650 nm，輸出功率為30 mW，工作電壓為3～12 V（選取5 V）;綠光激光筆頭輸出波長為510 nm，輸出功率為30 mW，工作電壓為 4.5～12 V（選取5 V）;藍(lán)光激光筆頭輸出波長為450 nm，輸出功率為30 mW，工作電壓為3～6 V（選取3 V）;紫光激光筆頭輸出波長為405 nm，輸出功率為30 mW，工作電壓為2.1～6 V（選取3 V）。4位撥碼開關(guān)貼片一個，可單獨控制每個激光筆頭，將從激光筆頭引出的導(dǎo)線接在4位撥碼開關(guān)上，紅、綠一組與2節(jié)9800型號電池（2.5 V）相連，藍(lán)、紫一組與2節(jié)普通1.5 V干電池連接，如圖1（b）所示。再準(zhǔn)備一個外徑為75 mm、厚度為2 mm、長為25 cm的PVC塑料水管（常規(guī)尺寸），沿其水平方向打4個圓孔，將連接好的激光筆頭分別嵌入并粘牢（盡量保證光線平行），如圖1（c）所示，從左到右分別是紅光、綠光、藍(lán)光、紫光激光筆頭，并將開關(guān)貼片用速干膠粘于PVC管內(nèi)壁。

3? ? 多功能幾何光學(xué)演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

將水倒入水槽中，高度要超過圓形孔洞的上沿，約占水槽容積的3/5。在清水中加入3到5滴牛奶，可以清楚地看到水中的光線。用手持納米噴霧補水儀向液面上方噴入適量水霧，用泡沫板將水槽開口蓋住，用于示蹤空氣中的光路。

3.1? ? 驗證光的反射定律、折射定律

將透明塑料紙附于360°量角器圖片上，臨摹刻度制成量角器，如圖2（a）所示。當(dāng)光從水中射入到空氣中時，在水與空氣的分界面處發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，如圖2（b）所示。將塑料紙沒有刻度的一面沾上水，將其吸附在水槽前壁上，量角器的零刻度線要與水面相平，量角器的圓心要與光在“水-空氣”分界面處的入射點“重合”，這樣與零刻度線垂直的方向即為法線方向。從量角器上可讀出入射角為i1、反射角為i'1、折射角為i2。旋轉(zhuǎn)光源裝置，改變?nèi)肷涔夥较?，測量并記錄三組入射角i1、反射角i'1、折射角i2的數(shù)據(jù)，驗證光的反射定律（i1=i'1）、光的折射定律（sini2/sini1=常數(shù)）。

3.2? ? 計算紅光和綠光在水中的折射率

光線從水中（n1）射入到空氣（n2）中發(fā)生折射，滿足折射定律n1sini1=n2sini2，通過測量入射角i1、折射角i2、n2=1，可以算出n1。分別打開紅光、綠光激光筆頭，如圖3所示，旋轉(zhuǎn)光源裝置，改變?nèi)肷涔夥较颍瑴y量并記錄入射角i1、紅光折射角

3.3? ? 動態(tài)演示各色光從折射到全反射的變化過程

4? ? 總? ?結(jié)

幾何光學(xué)理論在光導(dǎo)纖維、單反攝像鏡頭、太陽能發(fā)電、太空角反射定位等方面彰顯著其廣泛的應(yīng)用前景。在中學(xué)階段通過優(yōu)質(zhì)教具演示實驗現(xiàn)象是夯實幾何光學(xué)理論的高效手段。本文開發(fā)并制作的多功能幾何光學(xué)演示儀具有效果明顯、用途多樣、操作簡便、仿制容易等優(yōu)點，基本滿足了中學(xué)階段幾何光學(xué)相關(guān)教學(xué)的需求。

參考文獻：

[1]戴瑞，于海波，黃行建，等.光的折射和全反射演示改進的探究[J].物理教師，2017，38（10）：41-42.

（欄目編輯? ? 王柏廬）