多功能光路显示仪的自制与创新

李倬

摘 要：自制光路显示仪中的零部件大多来源于生活中的废旧物品，外观透明、轻巧，可360度旋转，能够在不移动台上器材的情况下，使坐在不同位置的学生清楚地观察到实验现象。自制的多功能光路显示仪可演示光的传播规律、透镜对光线的作用、模拟眼睛成像及视力矫正等六个光学实验，效果良好。

关键词：多功能；光路显示仪；自制；创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0010-4

在初中物理光学内容的学习中，对于光的传播规律的探究需要想办法显示出光的传播路径。实际教学中一般采用在空气中制造烟雾、在水中加牛奶（或硝酸银）等方法，但是烟雾会很快散尽，加杂质的水对光传播的削弱很明显，影响显示效果，造成光路显示不清。实验室中配备的显示仪体积庞大不便于移动携带，且配套的半圆形玻璃砖个头很小，光在其中的传播路径很短，不便于学生观察。另外，相对正常眼，近（远）视眼的成像不仅因光路难以显示而不易观察，更由于其矫正即因普通透镜无法变焦而不易操作，致使不少物理教师放弃这些实验的演示。为了解决光学教学中的这些问题，制作了下面这套光路显示仪。

1 结构简介

（1）装置一：可调光源支架

如图1所示，光源支架由亚克力板制成的长、宽、高分别为4.5 cm、1.5 cm、40 cm的长方体立柱粘合在一长、宽、高分别为10 cm、4.5 cm、1.5 cm的底座上制成，内部封装有一可自由移动的边长为3.5 cm的正三角形亚克力板，板面上粘有三块呈“品”形分布的强磁铁。用亚克力板制成长、宽、高分别为10 cm、5 cm、2.5 cm两端开口的光源盒，盒外壁也粘有呈“品”形分布的三块强磁铁，能被紧密吸引在支架上。两只直径为2.2 cm的绿光激光灯可并排插入光源盒，移动并旋转光源盒即可调整光源的高度和光线角度。

（2）装置二：光路显示仪（一）

如图2所示，主体是由亚克力板拼装成的长、宽、高分别为40 cm、3.5 cm、30 cm的长方体盒子，盒底下面装有两个6 cm×3 cm的底脚来增加稳度，盒顶两端用合页分别连接两块18 cm×3.5 cm可掀起的盒盖，两盒盖间装有一块4 cm×3.5 cm的加固连接板。内部距盒底11 cm处装有一与盒底平行的横隔板，横隔板上粘有12 cm×2 cm的玻璃镜面和弯折成不规则波浪状的镀膜反射面。可折叠角度盘是由亚克力板裁割出的两个半径为9 cm的半圆，小合页把两个半圆连接，圆周刻有分度值为10 °的角度线，并在圆周粘有强磁铁如图2所示，盒内对应位置分别放一强磁铁就可把角度圆盘吸附在盒子外壁任意位置上。

（3）装置三：光路显示仪（二）

如图3所示，主体为亚克力板制成的长、宽、高分别为30 cm、5.5 cm、10 cm的长方体盒子，盒顶两端用合页连接有三块10 cm×5.5 cm可掀起折叠的盒盖，内部距左端10 cm处并列装有两片高4 cm的水透镜放置支架，上面放置自制的直径为5 cm的水透镜，水透镜通过长约15 cm的细橡胶管与放在盒外的规格为20 mL的注射器相连，利用注射器改变水透镜内水量的多少以此来改变水透镜的焦距，模拟晶状体的改变，透明盒右壁作为模拟视网膜。左端距盒顶1 cm的前后两面装有与盒底平行的放置透镜的轨道，轨道右端前后两面之间连接有顶部加固连接杆。演示用的透镜及镜片都通过规格为2 cm×0.5 cm的竖连杆粘合在规格为5 cm×1.5 cm的横杆上，然后把横杆放置在镜片轨道适当位置使镜片挂放在透明盒中。

（4）装置四：旋转底座

如图4所示，底座上端是一块长、宽、高分别为50 cm、20 cm、1.5 cm的长方体聚合板，聚合板四个角下方分别装有比底座高度略短的防倾倒螺钉。底座是酒盒的顶盖，该盒盖中心内有一直径为3 cm、高2 cm的圆柱，可做转轴。另一酒盒塑料底座中心刚好有一圆孔，把直径扩大到3.1 cm，刚好套在上面盒盖的中心圆柱上，在圆柱伸出圆孔部分沿直径方向打两个小孔，插入一根废水笔芯，底座和转轴就连成一体。使用时，装置一、二、三放在该旋转底座上进行实验操作演示，可360度水平旋转。

2 材料来源

2.1 废物利用

装置二中，不规则波浪状的镀膜反射面由塑料酒盒底座镀膜面改装，玻璃镜面由镜面废料加工而成。装置三中，水透镜顶部连接橡胶管部分由学生用过的水笔芯的笔头改装而成，水透镜透明圆环由塑料酒盒上固定酒瓶口的内环改装而成，弹性膜由透明薄轻质气球改装而成，注水装置由医用20 mL注射器改装。装置四中的聚合板由木工废料加工而成，下方转轴由酒盒顶盖、底座及废水笔芯改造加工而成。

2.2 网上购买

亚克力板（可用透明酒盒代替）、强磁铁、激光灯。

3 使用说明

3.1 探究光在空气、水中的传播路径

器材：装置一、装置二、装置四、浓糖水、烟雾。

步骤：

（1）按图5所示摆放好实验器材，先在装置二中加入浓糖水至虚线处，然后在水面上方空间内喷入烟雾并盖上盒盖。

（2）调节装置一的光源盒到适当高度，旋转钥匙开关点亮任一激光灯，使发出的激光水平射入浓糖水中，观察实验现象。

（3）升高光源盒的高度，使发出的激光水平射入空气中，观察实验现象。

结论：光在同种均匀介质中是沿直线传播的。

3.2 观察镜面反射和漫反射

器材：装置一、装置二、装置四、烟雾。

步骤：

（1）按图5所示摆放好实验器材，在反射面上方空间内喷入烟雾并盖上盒盖。

（2）调节光源盒到适当的高度和角度并点亮两只激光灯，让两平行光束斜射到平面镜上，观察经平面镜反射后的反射光线。

（3）调节光源盒的角度，让两平行光束斜射到弯折面镜上，观察经弯折面镜反射后的反射光线。

结论：平行光经平面镜反射后仍平行，这种反射叫做镜面反射；平行光经曲面反射后不再平行，而是射向各个方向，这种反射叫漫反射。

3.3 探究光的反射规律

器材：装置一、装置二、装置四、烟雾。

步骤：

（1）按图6所示摆放好实验器材，向装置二中喷入适量烟雾并盖上盒盖。

（2）调节光源盒到适当的高度和角度，旋转钥匙开关点亮任一激光灯，使发出的激光斜射到平面镜上的适当位置。然后移动角度圆盘，使圆盘水平分界线与反射面重合，圆盘中心与入射点重合。观察并读出反射角和入射角。改变入射角的大小，多次实验，并观察反射光线、法线和入射光线的相对位置关系。

（3）将反射光对应的半个角度圆盘向后折转一个角度，旋转水平转台，观察发现该半个角度圆盘上并没有反射光，反射光仍在原位置。

结论：光反射时，反射光线，入射光线与法线在同一平面内；反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。

3.4 探究光的折射规律

器材：装置一、装置二、装置四、烟雾、浓糖水。

步骤：

（1）按图6所示摆放好实验器材，先在装置二中加入浓糖水至虚线处，然后在水面上方空间内喷入烟雾并盖上盒盖。

（2）调节光源盒到适当的高度和角度，旋转钥匙开关点亮任一激光灯，使发出的激光从空气斜射到浓糖水中。然后移动角度圆盘，使圆盘水平分界线与水面重合，圆盘中心与入射点重合，比较折射角和入射角的大小，并观察折射光线、法线和入射光线的相对位置关系。然后，改变入射角大小，观察折射角的变化情况。

（3）将折射光对应的半个角度圆盘向后折转一个角度，旋转转台，观察发现该半个角度圆盘上并没有折射光，折射光仍在原位置。

（4）调节光源盒到适当的高度和角度，让光从浓糖水斜射到空气中，比较折射角和入射角的大小。

（5）调节光源盒到适当的高度和角度，让光从空气中垂直水面射入水中，比较折射角和入射角的大小。

结论：光折射时，折射光线、入射光线和法线在同一平面内；折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，折射角随入射角的增大而增大，随入射角的减小而减小。

3.5 探究凸（凹）透镜对光线的作用

器材：装置一、装置三、装置四、烟雾。

步骤：

（1）按图7所示摆放好实验器材，在透明盒内喷入烟雾并盖上盒盖。

（2）用注射器向水透镜中注入适量的水，使其为凸透镜。让两平行光束水平射向水透镜，观察经水透镜折射后的光线。

（3）用注射器从水透镜中抽出适量的水，使其为凹透镜。让两平行光束水平射向水透镜，观察经水透镜折射后的光线。

结论：凸透镜对光线有会聚作用，凹透镜对光线有发散作用。

3.6 眼睛与视力纠正

器材：装置一、装置三、装置四、烟雾。

步骤：

（1）按图7所示摆放好实验器材，在透明盒内喷入烟雾并盖上盒盖。

（2）让两平行光束水平射向水透镜，用注射器调节注入的水量，使会聚点刚好落在模拟视网膜上。

（3）用注射器向水透镜注入适量的水，使会聚点落在模拟视网膜前方。

（4）在装置三透镜轨道上放置一个近视镜，调节好位置，使会聚点恢复落在模拟视网膜上。

（5）用注射器从水透镜中抽出适量的水，使会聚点落在模拟视网膜后方。

（6）在装置三的透镜轨道上放置一个老花镜，调节好位置，使会聚点恢复落在模拟视网膜上。

结论：焦距合适的凹透镜能矫正近视眼，焦距合适的凸透镜能矫正远视眼。

4 该套装置的特点及创新

装置一、二、三主体都是用亚克力板粘合而成，透明、轻便、灵巧。光源支架立柱内封装有一粘有“品”形强磁铁的三角形亚克力板，能和光源盒外壁的品形强磁铁对应吸附在一起，光源盒可根据需要沿立柱上下移动及旋转。

在装置二内装入的浓糖水，因糖分子较大，光通过浓糖水时散射比较明显，从而使光在其中传播时路径能清晰呈现。在糖水上部空间喷入适量烟雾后，马上把盖子盖上可防止烟雾消散，实验过程中一般不需补充加烟，就能保障光在空气中的路径长时间清晰呈现。可折叠角度盘利用盘上固定的两粒强磁铁与盒内自由强磁铁相吸，能停留在透明盒外壁任一位置。入射光线方向固定后，可调整角度盘使入射点与盘中心重合、盘上横刻线与反射面重合。让两条平行光分别斜射向镜面和弯折反射面，能把镜面反射和漫反射的光路清晰呈现。

在装置三中喷入适量烟雾后盖上盖子，利用注射器改变水透镜的凸凹程度，即可演示凸、凹透镜对光线的会聚、发散作用及正常眼视物光路、近（远）视眼视物光路。其中的置镜轨道能方便把带有吊架的镜片放在上面，便于镜片的移动、取放，在水透镜及光源间置镜轨道的适当位置上挂放凹（凸）透镜片即可演示近（远）视眼的矫正光路。

利用木工板和酒盒顶盖底座改装的旋转载物台可360度旋转，能在不移动台上器材的情况下多角度全方位进行现象观察，四角下方的防倾倒螺钉能预防载物台受力不匀而翻转，避免器材掉落损坏。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.义务教育课程标准实验教科书：物理8年级[M].上海：上海科学技术出版社，2016.

（栏目编辑 赵保钢）