光折射实验的创新研究

刘波

【摘 要】一种创新的光折射实验装置，包括盛水容器、待观察物、及水槽，其特征是：所述盛水容器为由透明材料制成的扁平状的圆盘容器，所述圆盘容器的上部开口为视线观察端，所述圆盘容器的底部设有水嘴并连接有水管与水槽；所述圆盘容器底侧的内壁放置所述待观察物。有益效果是：抬高或降低水槽，改变圆盘容器内水面的高低，可调节待观察物在“全部可见”、“局部可见”、“完全消失”之间不断变换，达到待观察物人为可控的“忽隐忽现”，既得到惊奇有趣的实验效果，又可连续观察，相当于做了多次实验；然后用可见的激光现场演示，揭秘“隐”和“现”的原因；马上在在透明面板的背面贴上光线标记纸，分析光的折射原理，揭露本质。

【关键词】光折射；实验；连通器；忽隐忽现；激光

【中图分类号】O435 【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）07-0048-01

一、背景及目的

现有初中物理教学，在介绍了光的折射知识之后，为加深学生印象，安排了名为“硬币隐现之迷”的小实验，在水杯底放一枚硬币，把碗移动到眼睛刚巧看不到硬币的地方，保持眼睛和碗的位置不变，请另一位同学缓慢地向水杯里倒水，当倒入的水达到一定程度后，会发现原来看不见的硬币变得能看见了，进而理解光线由水斜射到空气中的折射现象。

上述实验取材简易，利于推广，但存在的问题有：一是需要两人配合，一人观察，一人缓慢倒水；二是该实验的重复性不好，若一次观察得不清楚，想再次实验及观察，需要将水倒出后重做，所有实验操作均要全部重做，浪费了较多时间，由于时间关系，教师经常不能给未观察到的学生重做实验。三是该实验效果平淡，不够惊奇有趣，不能有效地吸引学生的兴趣。

本项研究的目的是，提供一种新装置，要求观察者一个人就能操作实验全程，特别是碗里的水面要能在“上升或下降”间不断转换，于是硬币会“忽隐忽现”，从而得到惊奇而重复性极好的实验效果。

二、前期试验

1.装置结构简图。

如图1、图2所示，碗状容器1的内部可盛水，其底部粘贴或固定有待观察物，如硬币3、小型发光体（为便于观察）等，碗状容器1底部的另一侧开孔并设有进出水嘴4。碗状容器1放置在下方设置的支架2上。

水槽7的下方或底部也开孔并设有进出水嘴7，碗状容器的进出水嘴4与水槽的进出水嘴6之间连接有软管5。软管5的长度应以50-100厘米为适宜，使得人体站立在看不到碗内硬币的位置时，方便人手抬高或放低水槽；软管5的粗细应和碗状容器1的大小配套，使得在抬高或放低水槽的短短数秒时间内，硬币就能“忽隐忽现”。

2.制作的样品。

3.样品测试及效果。

如图1-4所示，在水槽中准备好适量的水，手持水槽站在刚好看不到碗内待观察物（如硬币或发光体等，下同）的位置，缓缓抬高水槽，根据连通器原理，水槽内的水向碗内流动，随着碗内水面的上升，先看见硬币的边缘直到全部。

放低水槽，碗内水面下降，硬币由“全部可見”到“局部可见”再到“完全消失”；放低或抬高水槽，硬币就会在“忽隐忽现”间地不断转换，既得到惊奇有趣的实验效果，又可连续观察，相当于做了多次实验，具有很好的重复性，避免发生个别学生没观察到的情况，利于激发学生主动探究光的折射原理。

三、后期再改进

如图5所示，面板2固定在底座1上，面板中部固定有透明材料制成的圆盘容器7，圆盘容器7的上部开口为视线观察端，口部侧壁贴有遮光纸10或设有不透明涂层；圆盘容器7的底部设有水嘴3并连接有水管11，所述水管11的另一端与水槽12连通；圆盘容器7底侧的内壁放置有带磁性的待观察物5，容器外壁放置有吸附用的磁体4，移动外壁的磁体4，可调节内部待观察物5在容器内的位置。为加强观察的趣味性，待观察物5的表面可设置文字或图案。

面板2上方对应位置安装有摄像头9，以将观察画面显示在投影或电脑上，全班可见。

如图6、图7所示，本实用新型还设置有光线标记纸13和激光笔14，所述光线标记纸13上标记有分析光折射原理用的入射光线、折射光线、水面线、法线。

四、突出的创新点及效果

1.控制待观察物达到“忽隐忽现”的观察效果。

如图5所示，圆盘容器无水时，调整好摄像头9的位置，使其捕捉不到待观察物5，缓缓抬高水槽，根据连通器原理，水槽内的水向圆盘容器内流动，随着圆盘容器内水面的上升，先看见待观察物的边缘直到全部；放低水槽，圆盘容器内水面下降，待观察物由“全部可见”到“局部可见”再到“完全消失”；放低或抬高水槽，待观察物就会在“忽隐忽现”间地不断转换，既得到惊奇有趣的实验效果，又可连续观察，相当于做了多次实验，具有很好的重复性，避免发生个别学生没观察到的情况，利于激发学生主动探究光的折射原理。

2.用可见的激光现场演示，揭秘“隐”和“现”的原因。

如图6、图7所示，移除磁体4及待观察物5，在原来磁体4的位置开启激光笔14，激光笔14发出的一束可见光（有红光和蓝光两种色可选）经水面折射后能射到摄像头9的位置，说明能看到待观察物5；放出圆盘容器7内的水，激光笔14发出的可见光不能射到摄像头9的位置，说明不能看到待观察物5，从而当场揭秘“隐”和“现”的原因。

3.分析光的折射原理，揭露本质。

如图7所示，在透明面板2的背面贴上光线标记纸13，显示出入射光线、折射光线、水面线、法线，从而清楚明白地分析出光的折射原理。