自制超聲波霧化器創(chuàng)新光學(xué)實(shí)驗(yàn)

摘 要：在中學(xué)物理的光學(xué)部分，如直線傳播、反射、折射、平面鏡成像、透鏡成像等都需要做光學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。特別是透鏡、面鏡的典型光路圖以往是無(wú)法用實(shí)驗(yàn)室配置的器材來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)自制的超聲波霧化器光學(xué)教具生成的水霧作為產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象的傳播介質(zhì)，就可以顯示光線的光路圖，并且可視效果明顯。

關(guān)鍵詞：光學(xué)實(shí)驗(yàn)教具；自制超聲波霧化器；丁達(dá)爾現(xiàn)象；典型光路

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、問(wèn)題提出

中學(xué)物理光學(xué)教學(xué)中，光線的傳播規(guī)律一直是教學(xué)的重點(diǎn)。中學(xué)物理中的光學(xué)實(shí)驗(yàn)比較多，光的直線傳播、反射、折射、平面鏡成像、透鏡成像等都需要做光學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。特別是在做一些光路圖時(shí)，往往用畫一條直線來(lái)代表一束光線，光線的傳播方向的規(guī)律往往是死記硬背的，缺乏實(shí)驗(yàn)的有效再現(xiàn)，即實(shí)驗(yàn)的可視效果差，現(xiàn)象不明顯。如何用實(shí)驗(yàn)真實(shí)體現(xiàn)光傳播的可視效果呢？

傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)的光源是用蠟燭、電燈泡或者太陽(yáng)光；獲得一束光線，往往通過(guò)一個(gè)硬紙板，在中間鉆一小孔放在光源下獲得，實(shí)驗(yàn)操作不方便且效果不是很明顯。

如何用技術(shù)手段顯示光線的實(shí)際傳播路徑，展示常見的光線傳播規(guī)律，一直是光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，大功率、高亮度的激光筆實(shí)現(xiàn)了教室里正常亮度下光線傳播路徑，為光學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種便捷的途徑。但是，大功率激光筆的使用也帶來(lái)了極大的安全隱患，由于激光具有非常高的能量密度，不小心照射眼睛后，激光會(huì)損傷人眼睛的晶狀體、黃斑、視網(wǎng)膜等，使視力下降，嚴(yán)重者可導(dǎo)致永久性的失明，視力恢復(fù)是不可逆的。

參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——激光產(chǎn)品的安全（ GB 7424. 1—2012）的激光等級(jí)分類，不同等級(jí)的激光危險(xiǎn)程度不一樣。從2類開始，長(zhǎng)時(shí)間激光照射眼睛會(huì)對(duì)眼睛造成傷害，更別說(shuō)是最高級(jí)別的激光，即使是一瞬間，激光直射眼睛都會(huì)產(chǎn)生極大危險(xiǎn)。為此，中小學(xué)實(shí)驗(yàn)配備激光筆都是小功率激光筆（1類），但在做光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，存在光路不可視的問(wèn)題。

以往有教師[1-3]利用燒香或者點(diǎn)燃艾草產(chǎn)生的煙或者利用熱水產(chǎn)生水霧作為產(chǎn)生了丁達(dá)爾現(xiàn)象的介質(zhì)。但是經(jīng)筆者實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)不穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)、操作不方便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)效果不理想等問(wèn)題。為此，本文自制了超聲波霧化器，創(chuàng)新了光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。

二、實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新點(diǎn)及制作

（一）創(chuàng)新點(diǎn)

用自制超聲波霧化器，在光具盤前形成一道水霧簾，使水霧在激光筆的照射下產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象，使光路可見。比用煙霧等產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象更持久些，比用傳統(tǒng)家用加濕器產(chǎn)生的水霧更加均勻且面積更大些。

充分利用激光筆的亮度高、單向性好、產(chǎn)生極細(xì)光柱代替一條光線的特點(diǎn)；各類零件均制成磁吸式固定在光具盤上，解放了實(shí)驗(yàn)操作者的雙手；在白天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光線強(qiáng)度大也不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)觀測(cè)效果，特別是實(shí)驗(yàn)時(shí)教室后排的學(xué)生也可以看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。光學(xué)實(shí)驗(yàn)教具裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）制作過(guò)程

（1）自制超聲波霧化器

從淘寶上花30元購(gòu)置450mL的超聲波霧化振蕩器1個(gè)，從廢舊的電腦上卸載9V的風(fēng)扇1個(gè)，方柱形900mL飲料瓶1個(gè)，PVC塑料管若干，制成如圖2所示的超聲波霧化器。風(fēng)扇的目的是將瓶?jī)?nèi)的氣霧加速排出瓶外。由于水霧的密度大于空氣密度，所以在PVC橫管的下部均勻鉆上一排若干小孔，以向下噴出生成均勻的簾狀水霧，形成光傳播的介質(zhì)，為產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象形成必要的介質(zhì)條件。

（2）制作光具盤

取長(zhǎng)30cm×20cm的木板1塊，在其一面粘貼上同樣大小的薄鐵皮1塊。給木板安裝底座，以能豎立。各種光學(xué)元件，產(chǎn)生紅光、綠光的激光筆各2支均粘上磁鐵，吸在光具盤上，如圖3所示。其目的是實(shí)驗(yàn)時(shí)解放實(shí)驗(yàn)者雙手，為較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造條件。

三、應(yīng)用實(shí)踐

可做光的反射、折射現(xiàn)象，凸透鏡、凹透鏡對(duì)光線的折射規(guī)律的研究，凸面鏡、凹面鏡對(duì)光線反射規(guī)律的研究，不同介質(zhì)的折射率的研究。

所做的部分光學(xué)實(shí)驗(yàn)及效果如圖4 - 13所示。

四、本教具使用注意事項(xiàng)

①超聲波霧化器及風(fēng)扇均使用220V變壓器供電，供電后會(huì)發(fā)現(xiàn)有水霧從噴霧管的小孔中噴出。此時(shí)將光具盤置于噴霧管下方，光具盤前則會(huì)形成一道水霧簾。為避免實(shí)驗(yàn)時(shí)反光，在光路形成的面用黑色紙作映襯，使光路更加清晰可見，觀測(cè)效果更佳，拍攝照片更清晰。

②超聲波霧化器的瓶?jī)?nèi)加水不可超過(guò)1/ 3，防止瓶?jī)?nèi)水溢到風(fēng)扇內(nèi)，造成短路。瓶?jī)?nèi)水減少后，及時(shí)加水。

③超聲波霧化器不可長(zhǎng)時(shí)間通電使用或無(wú)人看管使用，不可做加濕器使用。

④實(shí)驗(yàn)時(shí)避免激光筆照射入人眼，防止灼傷眼睛，用完及時(shí)關(guān)閉電源。

⑤長(zhǎng)時(shí)間使用本教具后，應(yīng)扭下噴霧管甩掉管內(nèi)的冷凝水，防止堵塞噴霧管孔。

⑥應(yīng)在室內(nèi)空氣流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如關(guān)閉講臺(tái)兩側(cè)的門窗，避免人員在光具盤周圍走動(dòng)等，以免影響實(shí)驗(yàn)效果。

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（責(zé)任編輯：加順花）