魏學(xué)銳 劉旭威 何京妮 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)

多功能光學(xué)演示儀在物理教學(xué)中的應(yīng)用

魏學(xué)銳 劉旭威 何京妮 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)

光學(xué)部分是初中物理教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，欠缺教具輔助教學(xué)是造成學(xué)生認(rèn)知困難的一個(gè)重要因素．文中介紹了一種多功能光學(xué)演示儀的制作方法，并將其應(yīng)用于日常教學(xué)中．

光學(xué) 教具 多功能

1 前言

掌握光的各種現(xiàn)象，會(huì)用光學(xué)基本知識(shí)來(lái)解釋生活中常見(jiàn)的光學(xué)現(xiàn)象是對(duì)初中學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)部分的要求．如果沒(méi)有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示器材的話，學(xué)生只能靠想象，比如光的反射、光的折射現(xiàn)象，學(xué)生只能靠書本上的描述記住物理規(guī)律．尤其是透鏡、面鏡對(duì)光的作用以及凸透鏡成像規(guī)律，初中階段的學(xué)生更是難以理解．

而本文介紹的“多功能光學(xué)演示儀”，不僅讓學(xué)生能觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也可減少教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的工作量．

2 教具功用

本教具功用分為常規(guī)實(shí)驗(yàn)以及拓展實(shí)驗(yàn)兩部分，具體內(nèi)容見(jiàn)下表．

表1 多功能演示儀功能用途

3 教具裝置

本教具為成套裝置，不同的組合方式可以完成不同的實(shí)驗(yàn)．以下是演示儀的裝置圖(圖1)及相應(yīng)的介紹．

圖1 教具整體裝置圖

4 制作材料和方法

整體框架：有機(jī)玻璃板用ABS膠粘合成A，B，C 3個(gè)箱．以下介紹的是各個(gè)實(shí)驗(yàn)所用到的材料及相應(yīng)的設(shè)計(jì)：

(1)小孔成像(白熾燈、LED雙向標(biāo)作為光源)．白熾燈.一個(gè)白熾燈串聯(lián)電位器，220 V交流電供電；LED光源.多個(gè)高亮LED并聯(lián)焊接、3 V電池盒供電；小孔.黑色卡紙裁剪多種形狀孔．光屏.PVC白板；將以上器材放入光具座即可演示小孔成像實(shí)驗(yàn)．

(2)光的反射．光霧水槽(用有機(jī)玻璃板粘合)中、水槽底部放入平面鏡、側(cè)面放角度盤，激光筆用架子固定從外部入射，即可改變?nèi)肷浣嵌啻翁骄抗獾姆瓷湟?guī)律．

(3)平面鏡成像規(guī)律探究(佩珀?duì)柣孟?．按圖4設(shè)計(jì)和擺放，在C區(qū)放水杯，A區(qū)放蠟燭，B區(qū)對(duì)角線加入0.3 mm亞克力玻璃板、可從B這個(gè)角度看到蠟燭的幻象．

(4)光的折射：與光的反射類似，但為了顯示空氣中的光路，用點(diǎn)燃艾條產(chǎn)生煙霧．

(5)光的色散：白色強(qiáng)光手電照射三棱鏡．

(6)色光合成：用紅、綠、藍(lán)強(qiáng)光LED，各配3 V電池盒和散熱片．

(7)透鏡對(duì)平行光的作用．平行激光器：由5個(gè)激光頭串聯(lián)焊接，4.5 V電池盒供電；導(dǎo)軌：一塊45 cm×100 cm的亞克力中間割開(kāi)2.5 cm×90 cm的槽，貼上紙質(zhì)尺．導(dǎo)軌中間槽倒插入透鏡，一邊插入平行激光器，放入艾炙盒．即可觀察光路．

(8)凸透鏡成像規(guī)律：用米尺制作的光具座上安裝上透鏡，用前面LED光源、光屏即可探究規(guī)律．

5 使用方法和效果

5.1 小孔成像演示

(1)將其中兩個(gè)A和C號(hào)箱如圖9組合在一起，加上光具座．首先我們用白熾燈進(jìn)行試驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)小孔的形狀、大小跟成的像是沒(méi)有關(guān)系的．

(2)假如把光源換成LED點(diǎn)陣組成的藍(lán)色跟綠色的箭頭，可以發(fā)現(xiàn)雖然成的像還是倒立的箭頭，但是LED成的每一個(gè)點(diǎn)的像是跟小孔的形狀有關(guān)的(圖2)，因?yàn)閷?duì)于LED點(diǎn)光源而言，小孔不能再稱為“小孔”了．在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以引導(dǎo)學(xué)生理解小孔成像中的“小”的含義．

圖2 不同形狀的小孔成的像是不一樣的——孔相對(duì)于LED點(diǎn)光源來(lái)說(shuō)不再是“小孔”.從左至右分別為三角形、方形、圓形對(duì)箭頭形狀LED成的像

5.2 光的反射[1]

圖3 光的反射實(shí)驗(yàn)效果 圖4 佩珀?duì)柣孟?/p>

在光霧水槽底部置放平面鏡，在艾炙盒平臺(tái)中放入艾炙盒，點(diǎn)燃艾條，蓋上光霧水槽蓋等待10s左右，在光霧水槽外用可調(diào)角度的激光筆調(diào)整角度，觀察角度盤即可讀出入射角與反射角(圖3)．

5.3 佩珀?duì)柣孟裱菔?魔術(shù))[2]

把教具擺放成如圖4所示形狀，A,B,C3號(hào)箱子形成L型．在相應(yīng)的卡槽中插入對(duì)應(yīng)的板，營(yíng)造一個(gè)比較昏暗的氛圍．在A箱中放入蠟燭并點(diǎn)燃，在C箱中適當(dāng)位置處放一個(gè)水杯，并往水杯中加水，會(huì)發(fā)現(xiàn)在觀察窗口看來(lái)，蠟燭被水淹沒(méi)之后依然會(huì)燃燒．這就是“水中燃燒的蠟燭實(shí)驗(yàn)”．另外，還可以用同樣的方法做“燒不破的氣球”實(shí)驗(yàn)．揭秘魔術(shù)：平面鏡成像原理．在明室、暗室以及觀察室底部貼上坐標(biāo)紙，打開(kāi)暗室燈，用熒光棒進(jìn)行精準(zhǔn)定位，揭示平面鏡成像規(guī)律．

5.4 光的折射

(1)首先在光霧水槽中加入適量的濁液，在光霧水槽底部置放平面鏡，在艾炙盒平臺(tái)中放入艾炙盒，點(diǎn)燃艾條，蓋上光霧水槽蓋等待10s左右，在光霧水槽外用可調(diào)角度的激光筆調(diào)整角度，即可觀察到光的折射現(xiàn)象(圖5)．觀察角度盤即可讀出入射角與折射角．

圖5 光的折射演示現(xiàn)象 圖6 光的全反射現(xiàn)象

(2)如果將激光筆的光線調(diào)整至從水里往空氣中投射，即可觀察到“全反射現(xiàn)象”(圖6)，相當(dāng)明顯，可以作為初中生的拓展思維實(shí)驗(yàn)之一．

5.5 光的色散

擺放好三棱鏡，用強(qiáng)光手電筒照射三棱鏡，合理調(diào)整三棱鏡角度，即可觀察到“彩虹”出現(xiàn)．

5.6 光的合成(三原色合成)

在A號(hào)箱里放置好三原色合成器(圖7)，分別打開(kāi)3種顏色LED燈，可以發(fā)現(xiàn)三種顏色各自重合的部分都出現(xiàn)了新的顏色，3種顏色交匯出合成了白色(圖8)．

圖7 三原色合成器 圖8 色光合成效果

5.7 透鏡、面鏡對(duì)平行光線的作用

(1)將A和C號(hào)箱組合成如圖9和圖10所示樣，點(diǎn)燃兩個(gè)艾炙盒中的艾條，等待約1min，將平行激光器以及凸透鏡擺放好位置，在箱子外即可觀察到凸透鏡將平行光線匯聚成一點(diǎn)，通過(guò)光具導(dǎo)軌可讀出示數(shù)．

圖9 凸透鏡匯聚平行光

圖10 凹透鏡發(fā)散平行光

(2)將凸透鏡換成凹透鏡、凹面鏡、凸面鏡，調(diào)整距離，即可觀察到平行光在相應(yīng)透鏡/面鏡作用下的現(xiàn)象．

5.8 凸透鏡成像規(guī)律探究[3]

把A號(hào)箱與C號(hào)箱組合成如圖9所示形狀，并加上光具座．我們用綠色跟藍(lán)色的雙向箭頭作為光源，焦距為10cm的凸透鏡作為成像工具進(jìn)行演示．光屏上畫有標(biāo)尺，通過(guò)觀察像的大小與光屏刻度長(zhǎng)度的大小可以知道像是放大還是縮小(圖11)．

圖11 出現(xiàn)實(shí)像

當(dāng)只開(kāi)綠燈時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)箭頭方向反了，說(shuō)明成的是上下倒立的實(shí)像(圖12)；當(dāng)藍(lán)、綠燈同時(shí)打開(kāi)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)藍(lán)綠燈不僅上下顛倒，而且是左右顛倒了．這可以極好地讓學(xué)生理解“倒立”的實(shí)質(zhì)(圖13)．

圖12 上下顛倒的箭頭

圖13 左右顛倒的箭頭

6 教具創(chuàng)新點(diǎn)

(1)小孔成像演示比常規(guī)實(shí)驗(yàn)增加了一個(gè)探究部分，利用LED點(diǎn)光源的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解小孔成像中“小孔”的含義；

(2)采用魔術(shù)(佩珀?duì)柣孟?的手段演示平面鏡成像，做出“不可思議”的效果并通過(guò)魔術(shù)揭秘的方式讓學(xué)生掌握平面鏡成像的特點(diǎn)．

(3)光的合成實(shí)驗(yàn)中，采用方形的燈光區(qū)域合成，結(jié)構(gòu)不易變形，便于搬運(yùn)．

(4)自制平行激光器，很好地演示面鏡、透鏡對(duì)平行光的作用．另外，我們采用倒插的方法，移動(dòng)平行激光器以及透鏡，通過(guò)具座尺讀出讀數(shù)，并可以測(cè)定凸透鏡焦距．

(5)凸透鏡成像規(guī)律演示中，光具座上加了小LED燈，幫助讀數(shù)，以免在較暗的環(huán)境中無(wú)法讀數(shù)；光源用LED燈，節(jié)能、環(huán)保；此外，采用了藍(lán)綠箭頭幫助學(xué)生理解“倒立”的真正含義．

(6)每個(gè)箱子標(biāo)有相應(yīng)序號(hào)，不易混淆．

1 林保銀,熊瑋. 初中生家庭光學(xué)實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì).教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2009(3):35～36

2 解問(wèn)鼎,郭雅潔,陶洪. “佩珀?duì)柣孟蟆钡墓鈱W(xué)原理及其在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用.物理教師,2014(10):40～42

3 呂秋波. 對(duì)光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).物理教學(xué)探討,2007,22(4):59～60

2016-08-31)