系列光学实验演示仪的设计与应用

2012-07-09王志永郝翠华

中国现代教育装备 2012年20期

王志永郝翠华

一、问题的提出

对于刚刚接触物理的初中生来说，要准确理解光的折射、反射现象和规律，只有通过观察实验现象来总结归纳，才会有深刻的认识。所以光的折射、反射演示实验成功与否，将直接决定学生是否能够接受和理解相关知识。在实验教学中，许多教师对该实验进行了改进，但仍存在实验操作麻烦、部分学生不能直接读出入射角和反射角等问题，未能达到良好的演示效果。

为了增强实验效果，更加方便地演示光在空气和其他介质之间的折射、反射现象，系统探究光的折射、反射规律，直观地观察光的折射、反射现象，我们设计制作了系列光学实验演示仪。该仪器由“双环式”曲面反射演示仪、“旋转测角式”反射折射演示仪、“翻板式”多功能光学实验演示箱组成。

二、制作材料

木板、冷轧KT板、反光膜、玻璃砖、激光笔、平面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、水槽、三棱镜、漫射板、玻璃、烟雾发生器等。

三、制作与应用

1.“双环式”曲面反射演示仪

在曲面镜反射的演示实验中，一般使用凸凹镜演示，本装置用圆环粘贴反光膜的形式代替凸凹镜，小圆环的内侧代表凹面镜，外侧代表凸面镜。在演示实验时，红外线从左侧通光孔射入，光线在小圆环内实现多次凹面镜反射；红外线从右侧通光孔射入时，光线在月牙环内实现多次凸、凹面镜反射。

“双环式”曲面反射演示仪内部由双环套叠而成，外边是正方形外壳，尺寸为34 cm×34 cm。在箱体和双环的左右两侧各开2个通光孔。正面用玻璃密封，上面粘贴刻度盘。演示仪设计宽度为6 cm。

(1)双环构造(如图1所示)

外环直径30 cm，内环直径15 cm，宽度为5.5 cm。内部的双环两侧粘贴反光膜。两环在大环内相切，用小螺丝固定，相切的部分开2个通光孔。

图1

图2

(2)箱体构造(如图2所示)

箱体为34 cm×34 cm×6 cm。把双环黏合在箱体底板上，正面黏合玻璃，密封防止漏烟。玻璃上面粘贴刻度盘，刻度盘的内径为30 cm×30 cm，与外环的直径相同。

(3)烟雾发生器构造(如图3所示)

图3

烟雾发生器主要由核桃露空桶制作，下部取3 cm×5 cm的区域打孔后沿边缘切开，向内弯曲作为熏香燃烧器，再做一个稍大于桶直径的薄铁圆环，作为风门封闭器，用于控制风门的大小，控制熏香的燃烧速度，上部连接导管，往演示仪内通烟雾。

(4)实验操作(如图4所示)

图4

点燃熏香，放入燃烧器内，送入演示仪，燃烧一段时间。用红外线激光笔从通光孔射入，光斑在内环的内侧形成凹面镜反射，外侧形成凸面镜反射。由于双环的内外侧粘贴有反光膜，所以演示仪内形成多条光线相互反射的奇特现象。

该仪器既能演示单条光线的反射光路，又能演示平行光线的反射光路。在烟雾充足、角度适当的条件下，演示仪内会出现布满红外线的奇妙景象。

2.“旋转测角式”反射折射演示仪

“旋转测角式”反射折射演示仪为由半圆形磨砂玻璃和多层KT板叠加黏合而成的圆形结构，外侧为正方形面板，上有刻度盘；内部的圆形结构外侧是旋转式环状结构，上面开有通光孔；通光孔上部安装红外线激光笔固定装置；激光笔可以围绕圆形结构旋转，光斑直射在半圆形磨砂玻璃的圆心处，随旋转的角度不同，入射角不同，根据刻度盘可以直观地读出入射角、折射角和反射角。

(1)圆形面板与弧形面板构造(如图5所示)

图5 内部构件图

圆形面板直径30 cm×30 cm，弧形面板弦长15 cm，制作3片叠加，黏合半圆形磨砂玻璃。

(2)圆环形面板与转环构件(如图6所示)

图6 转环构造图

圆形构件外径30 cm×30 cm，内径25 cm×25 cm；转环直径30.4 cm，黏合激光笔固定器。

激光笔固定器为等腰三角形，底边切成弧形与转环吻合，腰长为10 cm。

(3)基本构件组装图(如图7所示)

(4)烟雾发生器构造(同前)

(5)实验原理及操作

点燃熏香，放入燃烧器内，送入演示仪，燃烧一段时间。用红外线激光笔从通光孔射入，光斑半圆形磨砂玻璃的圆心处，外侧形成镜面反射，磨砂玻璃内部形成折射，通过刻度盘可以直观地读出光线的入射角、折射角和反射角。

3.“翻板式”多功能光学实验演示箱

图7

“翻板式”多功能光学实验演示箱由箱体、玻璃砖、三棱镜、平面镜、凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜、小水槽、熏香燃烧器等构成。箱体分内外两层，外层为演示箱，内层为仓储箱；箱体的左右两侧开有通光孔，用于安放激光笔。箱内可以同时放置多种实验器材，可以根据需要翻动翻板，把所需仪器由仓储箱送入演示箱，进行光学实验。由于箱底黏合平面镜，随时都可以做光的反射实验。

(1)箱体构造(如图8所示)