能消除干擾的蜃景探究?jī)x

譚迪熬 中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)院士專家咨詢工作委員會(huì)首任專家，中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長(zhǎng)，科技創(chuàng)新教育特級(jí)教師，教育部國(guó)培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

教材中只用文字對(duì)蜃景（即海市蜃樓）進(jìn)行介紹，缺乏探究有效的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生難以理解。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重老化，存在無(wú)法顯示光路、視覺(jué)效果不佳等問(wèn)題。此外，教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，坐在后排的同學(xué)往往無(wú)法看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，制作一種能生動(dòng)地探究海市蜃樓現(xiàn)象的儀器很有必要。

查找資料后我發(fā)現(xiàn)，目前已有8個(gè)探究海市蜃樓現(xiàn)象的設(shè)計(jì)方案，但其中都沒(méi)有消除干擾的方案。此外，這些方案還存在操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等問(wèn)題。不過(guò)，它們?yōu)槲已芯磕芟蓴_的蜃景探究?jī)x提供了啟發(fā)。

一、設(shè)計(jì)制作

本探究?jī)x主要實(shí)現(xiàn)以下功能：探究所有類型的海市蜃樓的形成規(guī)律；具有攝像儲(chǔ)存系統(tǒng)，能在智能終端隨時(shí)播放探究過(guò)程。

遵循上述設(shè)計(jì)理念，在歷時(shí)半年的艱難探索后，我設(shè)計(jì)的能消除干擾的蜃景探究?jī)x終于制作完成。本探究?jī)x的主體部件由支撐系統(tǒng)、干擾消除系統(tǒng)、加液系統(tǒng)、配液系統(tǒng)、換液系統(tǒng)、景觀系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。配液系統(tǒng)由配液槽、實(shí)驗(yàn)槽、加液板構(gòu)成，其中，配液槽有6個(gè)隔槽。

二、使用方法

以“食鹽溶液—水?dāng)U散層”的快捷形成為例。

（一）配液

在配液槽第一個(gè)隔槽中加清水，在第六個(gè)隔槽中加飽和食鹽水。在第二個(gè)隔槽至第五個(gè)隔槽中按濃度遞增，配制不同濃度的食鹽溶液。

（二）放置加液板

將帶小孔的泡沫加液板置于實(shí)驗(yàn)槽中。

（三）移液

本探究?jī)x主體結(jié)構(gòu)中的水管一端與蠕動(dòng)泵相連，另一端為吸液端。配液槽中的水管一端與蠕動(dòng)泵相連，另一端與加液器相連。啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，先將配液槽第六個(gè)隔槽中的飽和食鹽水抽入加液器內(nèi)，并通過(guò)小水孔往下流入泡沫加液板上，再流入實(shí)驗(yàn)槽。隨著液體的不斷流入，泡沫加液板隨之上升。

依次將配液槽第六個(gè)、第五個(gè)、第四個(gè)、第三個(gè)、第二個(gè)和第一個(gè)隔槽內(nèi)的液體抽入實(shí)驗(yàn)槽中，快速形成“食鹽溶液—水?dāng)U散層”，用于探究上位海市蜃樓。

其他兩種液體的擴(kuò)散層形成方法與此類似。

三、干擾因素的形成與消除

影響海市蜃樓探究的干擾因素主要有三種：實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)壁反射成像、液面反射成像以及景觀燈本身的景象。

要消除實(shí)驗(yàn)箱正面內(nèi)壁反射成像，可插裝兩塊透明磨砂板。通過(guò)調(diào)節(jié)遮光簾的高度遮擋內(nèi)壁的反射成像，消除實(shí)驗(yàn)箱側(cè)面內(nèi)壁反射成像。調(diào)節(jié)遮光簾的高度遮擋干擾光線，或利用加液板破壞液面反射，消除液面反射成像。

四、共享的實(shí)現(xiàn)

高清攝像頭可在任意角度進(jìn)行拍攝，內(nèi)含攝像儲(chǔ)存系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳輸方式將實(shí)驗(yàn)與探究過(guò)程傳至共享平臺(tái)，能隨時(shí)在學(xué)生手機(jī)端和各教室的電子顯示系統(tǒng)播放。

在課堂演示時(shí)，多媒體投放實(shí)驗(yàn)過(guò)程，后排的同學(xué)也能清楚觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

五、實(shí)驗(yàn)探究

分別演示上位海市蜃樓、下位海市蜃樓、全反射成像、模擬沙漠海市蜃樓、模擬海面海市蜃樓、熱水海市蜃樓的形成過(guò)程，探究實(shí)驗(yàn)原理，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）創(chuàng)新性強(qiáng)

本探究?jī)x的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了新思路、新視角、新設(shè)計(jì)。

（二）綜合探究功能強(qiáng)大

利用本探究?jī)x進(jìn)行探究時(shí)，能最大限度地調(diào)動(dòng)同學(xué)們的知識(shí)儲(chǔ)備，提高其思維能力。還能讓同學(xué)們?cè)隗w驗(yàn)探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，體現(xiàn)了探究性學(xué)習(xí)的核心價(jià)值。

（三）操作簡(jiǎn)便

單個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，多個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作之間具有連貫性，不必頻繁更換主要實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能直觀地探究原理。

（四）共享程度高

能用電腦實(shí)時(shí)播放實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)共享，開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)。（指導(dǎo)老師：劉煜民）

1.直立板；2.實(shí)驗(yàn)槽（透明）；3.遮光簾（可伸縮）；4.水位刻度；5.遮光簾（可伸縮）；6.滑軌；7.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；8.托板；9.遮光簾（可伸縮）；9-1.拖曳桿A；10.托架；11.伸縮板；12.水平刻度；13.角度盤；14.指針；15.立柱A；15-1.滑槽A；16.立柱B；16-1.滑槽B；17.遮光簾（可伸縮）；17-1.拖曳桿B；18.水管A；19.滑動(dòng)結(jié)構(gòu)；20.萬(wàn)向桿；21.攝像頭；22.加液器；22-1.小水孔。

教材中只用文字對(duì)蜃景（即海市蜃樓）進(jìn)行介紹，缺乏探究有效的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生難以理解。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重老化，存在無(wú)法顯示光路、視覺(jué)效果不佳等問(wèn)題。此外，教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，坐在后排的同學(xué)往往無(wú)法看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，制作一種能生動(dòng)地探究海市蜃樓現(xiàn)象的儀器很有必要。

查找資料后我發(fā)現(xiàn)，目前已有8個(gè)探究海市蜃樓現(xiàn)象的設(shè)計(jì)方案，但其中都沒(méi)有消除干擾的方案。此外，這些方案還存在操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等問(wèn)題。不過(guò)，它們?yōu)槲已芯磕芟蓴_的蜃景探究?jī)x提供了啟發(fā)。

一、設(shè)計(jì)制作

本探究?jī)x主要實(shí)現(xiàn)以下功能：探究所有類型的海市蜃樓的形成規(guī)律；具有攝像儲(chǔ)存系統(tǒng)，能在智能終端隨時(shí)播放探究過(guò)程。

遵循上述設(shè)計(jì)理念，在歷時(shí)半年的艱難探索后，我設(shè)計(jì)的能消除干擾的蜃景探究?jī)x終于制作完成。本探究?jī)x的主體部件由支撐系統(tǒng)、干擾消除系統(tǒng)、加液系統(tǒng)、配液系統(tǒng)、換液系統(tǒng)、景觀系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。配液系統(tǒng)由配液槽、實(shí)驗(yàn)槽、加液板構(gòu)成，其中，配液槽有6個(gè)隔槽。

二、使用方法

以“食鹽溶液—水?dāng)U散層”的快捷形成為例。

（一）配液

在配液槽第一個(gè)隔槽中加清水，在第六個(gè)隔槽中加飽和食鹽水。在第二個(gè)隔槽至第五個(gè)隔槽中按濃度遞增，配制不同濃度的食鹽溶液。

（二）放置加液板

將帶小孔的泡沫加液板置于實(shí)驗(yàn)槽中。

（三）移液

本探究?jī)x主體結(jié)構(gòu)中的水管一端與蠕動(dòng)泵相連，另一端為吸液端。配液槽中的水管一端與蠕動(dòng)泵相連，另一端與加液器相連。啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，先將配液槽第六個(gè)隔槽中的飽和食鹽水抽入加液器內(nèi)，并通過(guò)小水孔往下流入泡沫加液板上，再流入實(shí)驗(yàn)槽。隨著液體的不斷流入，泡沫加液板隨之上升。

依次將配液槽第六個(gè)、第五個(gè)、第四個(gè)、第三個(gè)、第二個(gè)和第一個(gè)隔槽內(nèi)的液體抽入實(shí)驗(yàn)槽中，快速形成“食鹽溶液—水?dāng)U散層”，用于探究上位海市蜃樓。

其他兩種液體的擴(kuò)散層形成方法與此類似。

三、干擾因素的形成與消除

影響海市蜃樓探究的干擾因素主要有三種：實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)壁反射成像、液面反射成像以及景觀燈本身的景象。

要消除實(shí)驗(yàn)箱正面內(nèi)壁反射成像，可插裝兩塊透明磨砂板。通過(guò)調(diào)節(jié)遮光簾的高度遮擋內(nèi)壁的反射成像，消除實(shí)驗(yàn)箱側(cè)面內(nèi)壁反射成像。調(diào)節(jié)遮光簾的高度遮擋干擾光線，或利用加液板破壞液面反射，消除液面反射成像。

四、共享的實(shí)現(xiàn)

高清攝像頭可在任意角度進(jìn)行拍攝，內(nèi)含攝像儲(chǔ)存系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳輸方式將實(shí)驗(yàn)與探究過(guò)程傳至共享平臺(tái)，能隨時(shí)在學(xué)生手機(jī)端和各教室的電子顯示系統(tǒng)播放。

在課堂演示時(shí)，多媒體投放實(shí)驗(yàn)過(guò)程，后排的同學(xué)也能清楚觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

五、實(shí)驗(yàn)探究

分別演示上位海市蜃樓、下位海市蜃樓、全反射成像、模擬沙漠海市蜃樓、模擬海面海市蜃樓、熱水海市蜃樓的形成過(guò)程，探究實(shí)驗(yàn)原理，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）創(chuàng)新性強(qiáng)

本探究?jī)x的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了新思路、新視角、新設(shè)計(jì)。

（二）綜合探究功能強(qiáng)大

利用本探究?jī)x進(jìn)行探究時(shí)，能最大限度地調(diào)動(dòng)同學(xué)們的知識(shí)儲(chǔ)備，提高其思維能力。還能讓同學(xué)們?cè)隗w驗(yàn)探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，體現(xiàn)了探究性學(xué)習(xí)的核心價(jià)值。

（三）操作簡(jiǎn)便

單個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，多個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作之間具有連貫性，不必頻繁更換主要實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能直觀地探究原理。

（四）共享程度高

能用電腦實(shí)時(shí)播放實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)共享，開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)。（指導(dǎo)老師：劉煜民）