葉澤波，陳丹慧，劉丹瑜，李德安

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

現(xiàn)有的教具利用肥皂液體的丁達(dá)爾效應(yīng)顯示光路[1-5]，由于液體不能過重局限了教具的尺寸，使得演示過程中只有前排的學(xué)生可以看到演示現(xiàn)象. 針對傳統(tǒng)教具的不足，結(jié)合人教版初中物理第四章“光現(xiàn)象”和第五章“透鏡及其應(yīng)用”[6]的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計了長為1.2 m的霧化式幾何光學(xué)演示儀，克服了傳統(tǒng)教具可視范圍小的局限，并可用于演示初中幾何光學(xué)中所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時對初中幾何光學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行拓展補(bǔ)充，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動，讓學(xué)生感受到物理學(xué)科的魅力所在.

1 設(shè)計思路

利用5 mm厚的透明亞克力板制作長方體箱子,將上板面中間裁剪出長矩形作為導(dǎo)軌. 利用8 mm厚的透明亞克力板與各光學(xué)器件拼接，通過螺桿與亞克力片連接懸掛在導(dǎo)軌上. 利用煙餅產(chǎn)生的煙霧來顯示光路.

2 裝置制作方法

霧化式幾何光學(xué)演示儀實(shí)物圖如圖1所示.

圖1 霧化式幾何光學(xué)演示儀實(shí)物圖

2.1 箱子主體

利用5 mm厚的透明亞克力板和直角固定架拼接成120 cm×30 cm×40 cm的箱子主體. 箱子右側(cè)留有半徑為3 cm的圓孔，可放置平行光源與立體光源.

2.2 光學(xué)器件

將各光學(xué)元件卡入對應(yīng)的亞克力板中，將螺桿與亞克力板黏合，螺桿上端掛有帶螺母的亞克力片，即可懸掛在導(dǎo)軌上.

2.3 光源

1)激光光源是由單支激光筆所發(fā)出的點(diǎn)狀光源，用于演示點(diǎn)光源或平行光源中某一光路的傳播變化. 將單支激光光源固定在激光發(fā)射器萬向支架上，連接電源即可用于實(shí)驗(yàn)演示.

2)類平行光源是指多支激光筆等距排列所組成的組合光源，用于演示平行光中同一平面不同光線的傳播路徑. 將5支激光筆等距地固定在亞克力板上，每支激光筆由獨(dú)立的開關(guān)控制，微調(diào)每支激光筆的角度，使5條激光光路之間相互平行.

3)立體光源是指單支激光筆勻速旋轉(zhuǎn)所發(fā)出的圓環(huán)狀光源，其作用為演示平行光在立體空間中的傳播光路. 將2只激光頭與2個電池盒對稱地粘在圓形亞克力板上(為了防止偏心運(yùn)動)，并將亞克力板固定在微型小馬達(dá)的軸承上.

4)F光源是由多個LED燈按照一定的排列順序拼接而成的光源，其作用為演示凸透鏡的成像規(guī)律. 將多個LED光源在面包板上排列成“F”的形狀，并將其并聯(lián)焊接，接入電源即可使用.

3 實(shí)驗(yàn)演示及現(xiàn)象

演示內(nèi)容可以分為常規(guī)實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn). 常規(guī)實(shí)驗(yàn)包括：光的反射與折射、鏡面反射和漫反射、凹凸面鏡對光線的作用、凹凸透鏡對光線的作用、凸透鏡焦距的測量、探究凸透鏡成像規(guī)律. 拓展實(shí)驗(yàn)包括：光的全反射、凸透鏡對立體光源的作用、眼睛和眼鏡.

3.1 觀察反射、折射和全反射現(xiàn)象

點(diǎn)燃煙餅，待煙霧在箱內(nèi)均勻分布，將亞克力磚懸掛在導(dǎo)軌上. 開啟激光光源并且照射亞克力磚的頂部，利用煙霧觀察玻璃磚界面的反射及折射現(xiàn)象. 改變?nèi)肷潼c(diǎn)并且調(diào)整入射角大于全反射臨界角，可以觀察到玻璃磚內(nèi)的全反射現(xiàn)象，如圖2所示.

(a) 反射和折射

3.2 凹凸面鏡對光線的作用

將凹凸面鏡組合器件放入滑軌中，開啟類平行光源依次射向凹面鏡和凸面鏡，可以分別觀察到凹面鏡對光線的會聚作用和凸面鏡對光線的發(fā)散作用，如圖3所示.

(a)凹面鏡

3.3 鏡面反射和漫反射

將鏡面反射、漫反射組合器件放入導(dǎo)軌中，開啟類平行光源，調(diào)整使其照射在器件中心，觀察反射光路，如圖4所示.

(a)漫反射

3.4 凹凸透鏡對光線的作用

將薄凸透鏡(以下簡稱凸透鏡)、薄凹透鏡(以下簡稱凹透鏡)放入導(dǎo)軌中,打開類平行光源，調(diào)整使中心光線照射在凸透鏡和凹透鏡的中心，可以分別觀察到凸透鏡對光線的會聚作用和凹透鏡對光線的發(fā)散作用，如圖5所示.

(a)凹透鏡

3.5 凸透鏡焦距的測量

將凸透鏡、光屏放入導(dǎo)軌中，刻度尺置于箱子上板面. 開啟類平行光源，使中心光線照在凸透鏡的中心，觀察光線經(jīng)過凸透鏡會聚，移動光屏，找到焦點(diǎn)，見圖6. 由滑軌上的刻度尺讀出透鏡與光屏2個光具座的距離之差，即得該透鏡的焦距.

圖6 焦距的測量

3.6 探究凸透鏡成像規(guī)律

將凸透鏡放置在滑軌適當(dāng)位置處，F(xiàn)光源和光屏分居凸透鏡兩側(cè)，調(diào)節(jié)三者使其中心等高同軸. 開啟F光源，調(diào)節(jié)凸透鏡的位置，使物距u>2f,f

(a)u>2f

3.7 眼睛和眼鏡

近視眼及其矯正：將水透鏡和光屏放入滑軌中，開啟類平行光源，調(diào)整水透鏡與光屏的位置，使得光線會聚在光屏上. 通過注射器向水透鏡內(nèi)適當(dāng)注水模擬近視眼晶狀體的狀態(tài)，可以說明近視眼成像在光屏(視網(wǎng)膜)前. 選擇適當(dāng)?shù)陌纪哥R(眼鏡)使光線會聚在光屏(視網(wǎng)膜)上，如圖8所示.

(a)

3.8 凸透鏡對立體光源的作用

放置立體光源，調(diào)整其位置. 依次打開光源和小馬達(dá)的開關(guān)，在導(dǎo)軌中放入凸透鏡，觀察立體光線經(jīng)過凸透鏡后的會聚現(xiàn)象，如圖9所示.

圖9 立體光源演示

3.9 裝置優(yōu)點(diǎn)

1)利用煙霧直觀清晰地顯示光路，突破初中光學(xué)內(nèi)容學(xué)生無法親眼觀看光路的教學(xué)難點(diǎn).

2)可根據(jù)需求更換相關(guān)單元，滿足教學(xué)的個性化需求，可拆卸、靈活調(diào)整和組裝，裝置輕便. 方便教師演示不同光學(xué)現(xiàn)象，達(dá)到一物多用.

3)巧妙設(shè)計倒掛式滑軌以及配套的刻度尺,移動方便，適合教師與學(xué)生拓展創(chuàng)新和自主探究.

4 結(jié)束語

霧化式幾何光學(xué)演示儀對初中幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新和整合，能更好地幫助學(xué)生掌握光的有關(guān)知識，構(gòu)建相關(guān)理論體系，達(dá)到了優(yōu)化的效果. 同時，通過實(shí)驗(yàn)演示培養(yǎng)學(xué)生正確的物理思維，提高學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治鰵w納的能力，增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動，讓學(xué)生感受到物理學(xué)科的魅力所在.