可顯光路的多功能光學(xué)演示儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張健　盧靖宇　黃麟惠　廖輝　孟怡彤　盧子程

摘? ?要：光學(xué)是物理教學(xué)中的重難點(diǎn)，學(xué)生較難及時(shí)充分地理解較為抽象的光的傳播，同時(shí)由于缺少教具輔助教學(xué)和教具現(xiàn)象不明顯，容易造成學(xué)生認(rèn)知的困難。文章介紹一種可顯光路的立體化光學(xué)演示儀，利用本演示儀可以較為清晰、直觀地演示多種光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：光學(xué)演示儀；可顯光路；立體化；中學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0048-4

光學(xué)是中學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為保證學(xué)生充分理解相關(guān)光學(xué)概念，教師在進(jìn)行授課時(shí)可根據(jù)學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行引導(dǎo)，將理論知識用教具形象、生動(dòng)地展現(xiàn)出來，從而加深學(xué)生對光學(xué)現(xiàn)象的理解，激起他們學(xué)習(xí)光學(xué)的熱情，提高物理的整體教學(xué)水平。同時(shí)，物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。在物理教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)是不可缺少的重要教學(xué)手段。特別是初高中物理光學(xué)的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，許多物理概念、規(guī)律都是通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而進(jìn)行抽象化，進(jìn)一步概括、歸納出來的，所以一個(gè)現(xiàn)象明顯的光學(xué)教具十分重要。常用的光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器由于存在光源亮度低、光束易發(fā)散、自然光源過強(qiáng)導(dǎo)致無法看清光學(xué)路徑等缺陷，使得實(shí)驗(yàn)操作難度加大，學(xué)生看不到演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無法對光路進(jìn)行觀察，難以自己動(dòng)手調(diào)節(jié)，這些因素造成光學(xué)實(shí)驗(yàn)較難完成。

為了解決此類問題，我們通過簡單材料制作出一套可顯示立體光路的多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀。通過3D打印多孔光源支架，將多束激光匯聚增加光線可見度；通過電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，將不易調(diào)節(jié)角度的單一光線形成立體柱狀光路；通過丁達(dá)爾效應(yīng)，減弱自然光對光學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響。儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1? ? 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本裝置利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)可調(diào)節(jié)多孔激光支架，使三束或以上的激光束高速旋轉(zhuǎn)。利用超聲波加濕器作為霧化裝置，超聲波加濕器采用1.7 MHz的高頻振蕩，通過霧化片的高頻諧振，將水擊碎成微小顆粒拋離水面而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，實(shí)驗(yàn)中的水霧直徑為1 μm～10 μm。由于丁達(dá)爾效應(yīng)，當(dāng)可見光（本實(shí)驗(yàn)演示儀采用波長為532 nm的綠激光）透過膠體時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的散射作用，這個(gè)膠體的分散劑是空氣，分散質(zhì)是微小的液滴。利用這種散射現(xiàn)象，在光經(jīng)過的路徑上便可以看到一條明亮的光通路，這條光通路即為光學(xué)上所說的光路。同時(shí)，由于人眼存在視覺停留，從而形成立體空心光柱。所形成的空心光柱可以很好地避免只用一束光線導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯，用以完成凹、凸面鏡（透鏡）演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性。停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開一只激光束，又可以完成光的折射、偏振、衍射等實(shí)驗(yàn)。

2? ? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1? ? 凸透鏡焦距測量實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)光屏高度，使光屏上同心圓的圓心位于主光軸位置，將一束平行光沿著主光軸方向射到凸透鏡上，在光屏上得到的折射光線相交于一點(diǎn)，即焦點(diǎn)，測出此點(diǎn)到凸透鏡光心的距離，即為焦距。在進(jìn)行凸透鏡實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)光屏，測得實(shí)驗(yàn)用的凸透鏡的焦距為10.0 cm，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。

2.2? ? 凹透鏡焦距測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。其中，用兩束激光模擬位于P點(diǎn)的實(shí)物，兩束入射光線經(jīng)凹透鏡折射后在光屏上形成光點(diǎn)的間距為d1，未經(jīng)凹透鏡時(shí)在光屏上形成光點(diǎn)的間距為d2，光線在透鏡平面上形成光點(diǎn)的間距為d3，光屏與透鏡之間的距離為L。

根據(jù)幾何學(xué)中相似三角形原理可得

故只需測得d1，d3以及光屏與透鏡之間的距離L即可。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

將表1數(shù)據(jù)代入（4）式可得凹透鏡的焦距為10.0 cm，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。

2.3? ? 凸面鏡反射演示實(shí)驗(yàn)

在凸面鏡反射實(shí)驗(yàn)中，中學(xué)階段無法有效測量凸面鏡的焦距，只能作為演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。

2.4? ? 凹面鏡反射演示實(shí)驗(yàn)

凹面鏡實(shí)驗(yàn)中，利用光屏顯示光點(diǎn)時(shí)，因?yàn)楣馄習(xí)⑷肷涔庹谧?，無法完成實(shí)驗(yàn)，因此，我們在測量凹面鏡的焦距時(shí)，巧妙地利用小光屏，將光的焦點(diǎn)投射到小光屏上，得出凹面鏡的焦距為8.0 cm。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

2.5? ? 光的折射實(shí)驗(yàn)

光的折射是指光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變，從而使光線在不同介質(zhì)的交界處發(fā)生偏折的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)我們利用45°直角棱鏡以及等邊棱鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。

（1）利用45°直角棱鏡進(jìn)行光的折射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中測得光相對于原來的方向偏折25°，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示。

（2）利用等邊棱鏡進(jìn)行光的折射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中測得光相對于原來的方向偏折41°，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖8所示。

2.6? ? 光柵衍射實(shí)驗(yàn)

本演示儀使用的光源為單色激光，因而實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象為對稱分布的光點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9、圖10所示。

3? ? 結(jié)? 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本演示儀可以很好地演示凸透鏡實(shí)驗(yàn)、凹透鏡實(shí)驗(yàn)、凸面鏡實(shí)驗(yàn)、凹面鏡實(shí)驗(yàn)、光的偏折實(shí)驗(yàn)、光的偏振實(shí)驗(yàn)、光柵衍射實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)效果明顯，特點(diǎn)突出，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)的熱情。一套好的教學(xué)儀器對于教學(xué)往往起到事半功倍的作用，特別是對于光學(xué)的教學(xué)，以往的光學(xué)教具既難以調(diào)節(jié)，又很難達(dá)到預(yù)期效果，且光路的中間過程看不見、摸不著，造成學(xué)生的理解困難。本演示儀易于操作、原理清晰、可視性強(qiáng)，適合在中學(xué)、大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用，也適合經(jīng)進(jìn)一步開發(fā)并改進(jìn)后在科普場所展示。

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2022-12-13

基金項(xiàng)目：重慶市中小學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目計(jì)劃研究項(xiàng)目“可顯三維光路的多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)”（CY220222）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“趣味物理演示實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用”（220600532135753）；西南大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“一種新型微小位移測量裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)”（SYJ2022009）。

作者簡介：張?。?970-），男，中學(xué)高級教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)研究。