金慶辰 張婷婷 姜鎣 吳佳芮 朱鵬飛

摘? ?要：文章介紹一種自制的一體化光學(xué)儀器。該儀器能夠?qū)⒍喾N光學(xué)實(shí)驗(yàn)集中一體展現(xiàn)出來，從中還能進(jìn)行比對(duì)和測(cè)量，方便教師教學(xué)和學(xué)生觀察學(xué)習(xí);同時(shí)一體化的結(jié)構(gòu)也方便攜帶運(yùn)輸和收納。該儀器的設(shè)計(jì)以光學(xué)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，即光源—介質(zhì)—現(xiàn)象為主體的理念作為基礎(chǔ)來探究光學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的不變性，以一體化的思想為基本制作方向來解決實(shí)際光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示的復(fù)雜和繁瑣問題。

關(guān)鍵詞：光學(xué)儀器;一體化;中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）10-0045-3

目前中學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器較為冗雜，給教師的實(shí)驗(yàn)演示操作帶來麻煩。制作本光學(xué)教學(xué)儀器的目的在于簡(jiǎn)化教師的操作過程，更直觀、簡(jiǎn)單地完成課堂上各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示。本文介紹了自制光學(xué)教學(xué)儀器的過程，闡述了該儀器的使用方法。

1? ? 教學(xué)儀器裝置

本光學(xué)儀器由滑道、光具座、光具盤、光學(xué)器件、透明外殼五部分組成（如圖1）。

1.1? ? 框體制作

1.1.1? ? 滑道

滑道由不銹鋼材料制成。滑道外形為空心三棱柱，底邊寬40 mm，滑道長(zhǎng)1200 mm，足夠長(zhǎng)的滑道以保證各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行（如圖2）。

1.1.2? ? 光具座

光具座采用底邊為160 mm、兩斜邊為196 mm的不銹鋼等腰三角形作為支撐，兩底角利用焊接技術(shù)連接與滑道相吻合的底座（如圖2）。

1.1.3? ? 透明外殼

長(zhǎng)1200 mm，寬250 mm，高350 mm，采用有機(jī)玻璃材料，具有美觀、便攜、堅(jiān)固、易觀察等優(yōu)點(diǎn)。

1.2? ? 光源盤、光具盤制作

采用白色硬塑材料，實(shí)現(xiàn)美觀與實(shí)用的雙重結(jié)合。圓盤配有8孔，用于搭載光學(xué)元件。

1.3? ? 組裝與調(diào)試

框架與滑道：在有機(jī)玻璃框架底面直接鑲嵌四角以固定軌道并保持其平穩(wěn)。將三腳架放置在軌道上，逐次在兩圓盤上分別安裝光源及光學(xué)元件，確保光線通過光學(xué)元件中心在光屏中心成像。

光具盤：?jiǎn)慰p用黑色絕緣膠帶粘至2孔;兩個(gè)大小適合的凸透鏡用雙面膠直接固定在孔處;直徑較小的凸透鏡和凹透鏡利用泡沫固定安放在4、7孔;三棱鏡由于形狀特殊故利用泡沫及雙面膠粘連在6孔;偏振片由于需要調(diào)試角度故將其大小做成與圓盤相同放置旋轉(zhuǎn)軸上，為了突出角度變化在偏振片外圍粘貼刻度。

光源盤：激光筆用熱熔膠棒粘連，在粘貼過程中確保激光光線透過單縫形成衍射現(xiàn)象，平行光源在外圍纏有膠帶以固定在5、9孔，發(fā)散光源經(jīng)改進(jìn)后用雙面膠粘連至4、8孔。調(diào)試過程中，激光筆對(duì)準(zhǔn)單縫，通過調(diào)節(jié)激光筆可以在光屏上承接到衍射圖像，旋轉(zhuǎn)光具盤使發(fā)散光對(duì)準(zhǔn)兩焦距不同的凸透鏡，通過調(diào)整光屏及光具盤的位置可以觀察到實(shí)驗(yàn)預(yù)期現(xiàn)象;旋轉(zhuǎn)光源和光具盤，使平行光源對(duì)準(zhǔn)凸透境、凹透鏡，通過調(diào)整光屏及光具盤的位置可以觀察到實(shí)驗(yàn)預(yù)期現(xiàn)象;手持激光筆照射三棱鏡，調(diào)整角度在光屏上可呈現(xiàn)七彩條紋;將兩偏振片安裝，通過旋轉(zhuǎn)其中一片以得出明暗變化與角度的關(guān)系。

2? ? 教學(xué)儀器工作方法

2.1? ? 凸透鏡成像規(guī)律演示

將光具盤置于凸-凹透鏡檔，光源盤置于發(fā)散光檔，打開光源，通過移動(dòng)光屏和透鏡的位置，改變物距、像距，使物距u分別處于f2f，成像清晰后，記錄現(xiàn)象，總結(jié)凸透鏡的成

2.2? ? 凸透鏡焦距測(cè)量

2.2.1? ? 平行光匯聚粗測(cè)凸透鏡焦距

將光具盤置于凸-凸透鏡檔，光源盤置于平行光檔，打開光源，移動(dòng)透鏡位置，直至光屏上呈現(xiàn)小亮斑，測(cè)量光屏到透鏡的距離，即為凸透鏡焦距。

2.2.2? ? 通過成像公式精測(cè)凸透鏡焦距

將光具盤置于凸-凸透鏡檔，光源盤置于發(fā)散光檔，打開光源，移動(dòng)透鏡位置，成像清晰后，記錄光源盤、光具盤、光屏的位置，通過公式f=1/（1/u+1/v）計(jì)算焦距，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)測(cè)量后取平均值（表2）。本教學(xué)儀器設(shè)置兩個(gè)透鏡，建議教師將一個(gè)透鏡用于演示，一個(gè)透鏡用于學(xué)生練習(xí)，鞏固知識(shí)。

2.3? ? 光的色散演示

將光具盤置于衍射-色散檔，用備品盒中的白光筆照射三棱鏡，在特定角度下照射，可以看見白光色散為七種顏色。建議教師讓學(xué)生參與其中，并感受色散與最小偏向角之間的關(guān)系，明確白光需要一定角度才能在三棱鏡中發(fā)生色散。

2.4? ? 單縫衍射條紋與縫寬關(guān)系的演示

將光具盤置于衍射-色散檔，光源盤置于激光檔。打開光源，可以看見衍射條紋，中央條紋最亮，同時(shí)也最寬。除了中央亮條紋外，屏上光強(qiáng)分布還有次級(jí)亮條紋存在。調(diào)節(jié)縫寬，可以驗(yàn)證單縫衍射與縫寬的關(guān)系：縫寬越大，光強(qiáng)度（光的能量）越集中于中央條紋，所形成的圖線中央條紋窄而高;隨著縫寬進(jìn)一步加大，衍射圖線的中央條紋將被壓縮成一條亮線，基本觀察不到衍射波形（圖7）。

2.5? ? 自然光偏振特點(diǎn)演示

使光具盤轉(zhuǎn)到偏振檔，將備品盒中的兩塊偏振片安裝到光具盤上，光源盤調(diào)到平行光檔，打開光源，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片1并注意光具盤上二者夾角的度數(shù)刻度，可以觀察到0°～90°、180°～270°光強(qiáng)逐漸減弱，90°～180°、270°～360°光強(qiáng)逐漸增強(qiáng);當(dāng)夾角為90°、270°時(shí)完全消光，當(dāng)夾角為0°、180°時(shí)完全不消光。

3? ? 結(jié)束語

多功能可控一體化光學(xué)教學(xué)儀器適用于現(xiàn)階段的中學(xué)物理教學(xué)，在演示實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象直觀，操作簡(jiǎn)單，所演示實(shí)驗(yàn)種類全面，知識(shí)覆蓋廣，使學(xué)生對(duì)光學(xué)有更直觀、更清晰的認(rèn)識(shí)和更深刻的理解。同時(shí)，本教具以光學(xué)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，將光源可變、介質(zhì)可變、現(xiàn)象隨之而變，唯一不變的是作為核心的光學(xué)原理本身的理念貫穿其中，通過水車式的設(shè)計(jì)控制變量，激發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)到光學(xué)實(shí)驗(yàn)真正研究的在變中求不變的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚啟鈞. 光學(xué)教程（第五版）[M].北京：高等教育出版社， 2014.

[2]廖伯琴，張大昌.物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀（實(shí)驗(yàn)稿）[M].武漢：湖北教育出版社，2002：6.

[3]趙凱華.光學(xué) 新概念物理教程[M].北京：高等教育出版社， 2011.

（欄目編輯? ? 王柏廬）