中学光学实验节能改进案例

文 柯本勇 熊 力

随着教育改革的不断深入，创新和改进实验教学是当前物理教育工作者面临的大课题。进行实验创新与改进时，必须考虑节约、节能问题，使新实验方案既满足现代物理教学的需要，又能降低实验成本，减少资源的浪费。本文通过几个简单的光学实验案例，介绍北京市第八中学在利用新技术、新材料、新方法改进实验的过程中，落实“节能减排”理念的一些做法。

一、凸透镜成像实验

凸透镜成像实验是一个初中学生分组实验，要求学生通过实验探究凸透镜的成像规律。传统实验设计的主要器材有：焦距为10 cm的凸透镜、蜡烛、火柴、光屏、光具座等。学生实验过程是：点燃蜡烛并以烛焰充当成像物体；调整物距、像距；观察记录烛焰成清晰像时的物距、像距及辨识像的性质(包括正立像、倒立像，实像、虚像，像与物的大小关系比较等)；最后通过简单的实验结果分析，总结归纳出凸透镜的成像规律。

实验中，点燃的蜡烛消耗教室中的氧气，且燃烧不充分的石蜡烟气使教室和楼道中充斥着浓重难闻的味道；实验完成后，蜡迹斑点遍布实验器材和桌面。这样的实验方法对师生的身体损害和对环境的污染比较大。

2002年，为降低该实验对教学环境的污染，我们设计了新的实验方案：用小灯泡的灯光替代烛光作为光源，用自制的幻灯片替代烛焰作为成像物，将加工过的铁制饮料筒、小灯泡、塑料手电筒的反光碗、自制幻灯片等材料组合成为新的实验光源装置(如图1所示)。

图1 凸透镜成像实验

可抽插、替换的幻灯片作为成像物，学生可以通过幻灯片的正置、倒置、正放、反放来变化实验，观察、记录成像的情况，从而探究凸透镜的成像规律。幻灯片作为成像物，降低了原来烛焰 “体”作为成像物时，在光屏“面”上确认“清晰像”的难度，使得确认过程变得很简单，实验的准确程度也有所提高。

2011年，我们指导学生对该实验做了进一步改进。针对该实验中凸透镜的位置保持不动的特点，将“0”刻度置于光具座标尺中央，其余刻度分别向两个相反的方向展开。实验时只需将凸透镜置于“0”位置，“物”与“实像”分别位于透镜两侧，调整好实验装置后，可以直接从标尺上读出“物距”和“像距”。在节能方面，新方案用功率为1 W的LED灯替代了原来的3 W小灯泡，耗电量比原来少，实验效果却比用小灯泡好。

二、白光的色散演示实验

白光的色散实验是著名科学家牛顿的一个经典实验，白光通过三棱镜投射到屏幕上形成由7种色光有序排列成的彩色光带(连续光谱)，自然界中最常见的白光色散现象就是雨后的彩虹。中学物理教学要求通过观察实验现象，帮助学生认识白光是复色光。利用不同色光折射率的差异，可以通过三棱镜将白光分解。这是一个非常重要的演示实验，自然光中，利用太阳直射光(光照度大且可视为“平行光”)实验效果最好。但因受天气、太阳高度角、教室朝向和彩色光带投射面的位置等因素的限制，这个实验成了物理教学中的难题。不少物理教育工作者设计、制作过光的色散实验教具，大都采用传统的强光源，实验装置能耗大、较笨重，使用不太方便。

我们以LED钓鱼灯为原型，将其与不透光的塑料板和三棱镜组合为“光的色散演示器”，解决了这个实验难题。LED耗电量小、发光效率高、发热量低；钓鱼灯亮度高、出射光的方向性较好，且携带和使用都非常方便，适合与实验室现有的三棱镜整合为便捷的演示教具。

制作方法：加工一块与钓鱼灯直径相同的黑色塑料板替换灯前玻璃，在塑料板靠近边缘处开一个长度略短于三棱镜、宽度约为5 mm的矩形开口；打开钓鱼灯；三棱镜置于塑料板开口处，让灯光照射到三棱镜的一个光学面上；调整其安放位置及其与塑料板的角度；在理想的位置出现满意的色散图样时，将三棱镜固定于塑料板上。教师准备实验时像用手电筒一样，试一下即可掌握使用方法，色散图样可以随意投射到天花板或墙面上。

三、光的干涉、衍射演示实验

演示光的干涉和衍射现象也是中学物理实验的难题。光的干涉和衍射是光具有波动性的有力证明，课堂上教师运用实验手段让在场的学生观察到光具有波动性的证据至关重要。长期以来，在中学都是利用J2515“双缝干涉实验仪”进行光的双缝干涉实验。遗憾的是“双缝干涉实验仪”只能供实验者本人观察，而不能用于演示。

2002年，在利用“实物展台”的摄像头实现双缝干涉现象投影成功后，我们设计了改用“显微目镜”实现投影演示的“光的干涉、衍射投影附件组”，成功地解决了实验演示难题。“双缝干涉实验仪”的配套光源是功率为21 W的直丝白炽灯。功率虽然不小，但就本实验而言，亮度却不够高。由于实验的特殊性，演示实验采用的光源是能耗和发热量较大的显微镜外置光源。

伴随大功率半导体光源逐渐普及，我们又进一步设计制作了“光的干涉、衍射实验光源”，利用一个低压恒流电源通过转换开关，分别控制红、绿、蓝、白4只功率为1 W的LED光源，实验时不再需要用加滤色片的方式演示单色光的干涉现象，简化了实验操作。

“用双缝干涉测量光的波长”是一个难度较大的学生分组实验。但是由于仪器配套光源亮度不够，测量单色光波长需要加滤色片，导致观察、记录干涉条纹数量相当困难。我们将新型光源用于学生实验，收到了很好的效果。光源的替换，同时降低了光源亮度不够和使用滤色片对实验测量准确度的影响，降低了实验难度。用功率仅为1 W的新光源取代原来功率为21 W的传统光源，耗电量不到原来的5%，实验效果非常理想。图2为利用新光源进行学生分组实验时观察到的白光干涉图样。

图2 新光源用于学生分组实验

四、半导体激光器的应用

近年来，半导体激光器以其体积小巧、使用方便，且发光效率高、能耗低而被广泛应用于光学实验。中学光学实验大都可以用半导体激光器来完成，原实验室配备的以氦氖激光器为核心元件的J2513“激光光学演示仪”似乎没有了用武之地。我们以为就此将其淘汰实在可惜，与它配套的许多光学实验附件应该具有很强的生命力，充分利用它们可以完成大量的光学实验。涅尔衍射的图样。彩色图片非常漂亮，看上去有点黑洞、宇宙星云的意思，很神秘，引人遐想！如果亲身经历实验，改变光源到小孔或小孔到光屏的距离，还可能会看到与此不同的衍射图样。当然，我们还利用附件上的方孔、矩形孔、三角孔分别进行了实验，获得了相应的衍射图样，这些图片都是很好的教学资料。

图3 圆孔菲涅尔衍射

五、泊松亮斑

泊松亮斑的本质是光的衍射现象，当光照到不透光的小圆板上时，在圆板的阴影中心出现的亮斑。泊松先生原想用理论计算结果与“经验”相悖推翻光的“波动说”。但著名的物理学家菲涅尔偏偏就用实验证实了那个“亮斑”还就真的存在！原本作为反对“波动说”依据的“亮斑”，反而变成了支持“波动说”的重要证据。

我校实验室的前辈教师曾经制作过观察泊松亮斑的教具，但是只限于实验者本人观察。同时由于光波本身的性质决定了“亮斑”太小，实验现象不是很明显，教师很难确定课堂上有多少学生看到了那个极小的亮斑。

我们利用大功率半导体激光器、大头针、强磁铁和小钢球等材料成功地完成了这个实验。激光照射到剖面为圆形的不透光小钢球上，在屏幕上阴影中心可以看到清晰的“泊松亮斑”(如图4所示)。

图4 泊松亮斑

因为需要投入的资金很少，实验效果却很好，而且实验方法简单，所以利用功率较大的半导体激光器解决传统光学实验难题往往非常有效。虽然半导体激光器一般功率都不太大，可是激光直线性好、能量集中，很容易对人眼和皮肤造成损害，所以我们不轻易让学生接触到较大功率的激光器。必须用大功率激光器作为光源的演示实验以视频或图片的形式展示；学生分组实验采用小功率的激光器(3～5 mW)。我们建议：分组实验时，把激光器与扩束装置组合为一个不可拆分的固定整体，这样可以分散出射激光的能量，降低对师生造成意外伤害的概率。

六、钠的发射光谱实验

中学物理实验的改进和创新设计应时代的要求和科学技术的进步而不断优化，将“节能减排”作为一项原则纳入实验的改进和创新中有太多可以做的事。比如没有低压钠灯的情况下，利用分光镜观察钠的发射光谱实验，传统做法是向点燃的酒精灯火焰上撒食盐，这种做法的实际效果并不理想。用分光镜观察直接泡过食盐的酒精灯灯焰，是一种比较好的实验选择(如图5所示)。

图5 钠的发射光谱实验

图5中的台灯是分光镜标尺的照明光源，它的功率是几十瓦，且使用时需要精心调整位置才能获得较好的照明效果。我们从实验的效果和便捷性方面考虑，用4只发光二极管(合计功率约0.3 W)、胶卷盒和透明胶带骨架为主要材料，制作了非常精巧的“分光镜标尺照明灯”，用它替换掉功率为几十瓦的台灯，既方便实用，又达到了很好的节能效果。

七、结束语

“节能减排”不是口号，它已经成为全人类的使命！这不仅仅是一种全新的人类社会发展方式，还应该成为人类的一种生活方式。教育工作者可以通过“言传”，帮助学生了解“节能减排”的重要意义，养成节约身边各种资源的习惯，还可以通过“身教”，给学生树立榜样，使他们将 “节能减排”落实到行动上。在实验改进和创新中，在指导学生进行科技活动中，只要用心观察和研究，总能找到既满足需要，又节约节能的好办法！