陳斯鈿 李德安 黃大平 羅釗穎

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)中豐富多彩的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.光學(xué)現(xiàn)象作為自然界中常見(jiàn)的現(xiàn)象，與我們的現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系密切，因此光學(xué)部分的內(nèi)容也是中學(xué)物理教學(xué)中的重點(diǎn)之一.

該部分內(nèi)容要求學(xué)生掌握光的各種現(xiàn)象，會(huì)用光學(xué)的基本知識(shí)來(lái)解釋生活中常見(jiàn)的光學(xué)現(xiàn)象.但現(xiàn)階段的光學(xué)教具演示效果較差，特別是某些光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的光路得不到較好的呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏充分的感官刺激.同時(shí),現(xiàn)階段的光學(xué)教具整體性較低，教師需要在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備上花費(fèi)較多的時(shí)間和精力.因此，針對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)教具的不足，筆者設(shè)計(jì)了多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)探究?jī)x，將中學(xué)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的整合，以達(dá)到“一物多用”的目的，同時(shí)給學(xué)生提供直觀的現(xiàn)象刺激，讓學(xué)生掌握必要的知識(shí)，以培養(yǎng)學(xué)生正確的物理思維.

2 實(shí)驗(yàn)原理

本裝置所能演示的實(shí)驗(yàn)分為常規(guī)實(shí)驗(yàn)與拓展實(shí)驗(yàn)，如表1所示.

表1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)與拓展實(shí)驗(yàn)列表

2.1 顯示光路的原理

本裝置所演示的實(shí)驗(yàn)均需要顯示出光路，因此需要營(yíng)造一個(gè)能夠顯示光路的環(huán)境.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是配制膠體溶液(比如在清水中加入幾滴牛奶)或者在密閉的容器中加入煙霧(比如在箱子里點(diǎn)燃艾條)，以上方法顯示出的光路效果并不理想，比如在配制水奶溶液時(shí)很難控制牛奶的量，經(jīng)常會(huì)加入過(guò)多牛奶導(dǎo)致溶液渾濁，并且溶液穩(wěn)定性差，靜置一段時(shí)間后演示效果會(huì)大打折扣；又比如用煙霧來(lái)顯示光路，光路的散射現(xiàn)象比較嚴(yán)重，并且會(huì)帶來(lái)較大的異味.尤其是在探究光的折射定律時(shí)，通常需要在配制水奶溶液后另外在溶液上方加入煙霧，操作過(guò)程繁瑣且效果較差,如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)顯示光路的效果

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后，本裝置最終確定采用有機(jī)玻璃條和肥皂溶液來(lái)顯示光路.有機(jī)玻璃條由于自身的材質(zhì)特點(diǎn)便可顯示出光路，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)“光的折射”及拓展實(shí)驗(yàn)“可視化光纖通信”的演示中具有重要的作用.而肥皂溶液采用常見(jiàn)的泡泡水與清水進(jìn)行混合，配制后溶液依然呈透明狀態(tài)，顯示出的光路清晰可見(jiàn)且不易散射，損耗極低，并且溶液十分穩(wěn)定，靜置長(zhǎng)達(dá)一周后依然可用于實(shí)驗(yàn)演示.

在營(yíng)造一個(gè)能夠清晰顯示光路的環(huán)境之后，將各光學(xué)器件放入溶液中即可演示各項(xiàng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及潛望鏡原理.

2.2 可視化光纖通信原理

光纖由纖芯和包層組成,如圖2所示，由于纖芯的折射率大于包層的折射率，使得以合適角度進(jìn)入光纖的光能夠在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，再以折線的形式沿著光纖傳播.本裝置利用有機(jī)玻璃條模擬光纖中的纖芯，用肥皂溶液模擬光纖中的包層，將有機(jī)玻璃條浸沒(méi)在肥皂溶液中便組成了模擬光纖.由于有機(jī)玻璃條的折射率大于肥皂溶液的折射率，使得以合適角度進(jìn)入有機(jī)玻璃條的光能夠在有機(jī)玻璃條和肥皂溶液的界面上發(fā)生全反射，同時(shí)有機(jī)玻璃條能夠顯示出光路，通過(guò)這樣的組合，便可在有機(jī)玻璃條中看到光的全反射現(xiàn)象及其光路.

圖2 光纖結(jié)構(gòu)圖

光纖通信是以光作為信息載體而實(shí)現(xiàn)的通信.為了將音頻信號(hào)調(diào)制為光信號(hào)傳播出去，本裝置利用小型功放將手機(jī)輸出的音頻信號(hào)調(diào)制到激光器上，激光的強(qiáng)度將隨著電信號(hào)幅度的變化而發(fā)生變化，激光在有機(jī)玻璃條中傳播后到達(dá)由太陽(yáng)能板制成的接收端，由于光強(qiáng)不斷變化，太陽(yáng)能板將輸出強(qiáng)度不斷變化的微電流，經(jīng)功率放大器放大后將解調(diào)為放大的電信號(hào)，輸出到喇叭之后即可發(fā)出聲音,如圖3所示.

圖3 光纖通信原理圖

3 裝置的制作

3.1 使用材料

制作該裝置所需的材料包括水缸、激光筆、透鏡、面鏡、有機(jī)玻璃材料、功放、喇叭、電源線等，所需的材料簡(jiǎn)單易得，貼近生活實(shí)際.

3.2 制作過(guò)程

(1)確定各器材的最佳擺放位置及中心高度，設(shè)計(jì)各器材的底座.

(2)使用激光切割機(jī)、鉆孔機(jī)床對(duì)有機(jī)玻璃材料進(jìn)行加工，制作各器材的底座，并將激光筆、透鏡、偏振片等器材安裝至底座上，調(diào)試完成后，用以演示各項(xiàng)傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)驗(yàn).

(3)裁剪兩片適當(dāng)尺寸的平面鏡，并固定在支架上，兩個(gè)平面鏡相對(duì)并保持與水平方向成45°夾角，加設(shè)底座，將整個(gè)裝置穩(wěn)定放至水中后，用以演示潛望鏡原理.

(4)將小型功放的輸出端與電芯串聯(lián)后再與激光器相連，組成信號(hào)發(fā)射模塊；將太陽(yáng)能板的兩極與功率放大器的輸入端相連，再將喇叭連接至功率放大器的輸出端，組成信號(hào)接收模塊，與信號(hào)發(fā)射模塊共同組成光纖通信演示模塊，用以演示可視化光纖通信.

3.3 裝置實(shí)物

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示裝置與光纖通信演示裝置如圖4和圖5所示.

圖4 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示裝置

圖5 光纖通信演示裝置

4 實(shí)驗(yàn)演示及現(xiàn)象

在實(shí)驗(yàn)演示之前，需要在水缸中配置肥皂溶液，配置比約為18 L水配兩包泡泡水.

4.1 演示光的直線傳播

接通激光筆電源，讓激光射入溶液，可在水缸中看到一條清晰筆直的光路，說(shuō)明光是沿直線傳播的,如圖6所示.

圖6 光的直線傳播

4.2 演示光的反射

接通激光筆電源，讓激光照射到平面鏡上，調(diào)整激光筆的角度，讓入射點(diǎn)位于量角器的圓心，在量角器上可讀出入射角與反射角的角度,如圖7所示.

圖7 光的反射

4.3 演示鏡面反射與漫反射

(1)接通激光筆電源，讓平行激光束照射到平面鏡上，此時(shí)可以看見(jiàn)激光束經(jīng)平面鏡反射后平行射出,如圖8所示.

圖8 光的鏡面反射

(2)在缸底放置一塊凹凸不平的鏡面，讓平行激光束照射到鏡面上，此時(shí)可以看見(jiàn)平行激光束經(jīng)凹凸不平的鏡面反射后向四面八方射出,如圖9所示.

圖9 光的漫反射

4.4 演示光的折射

將有機(jī)玻璃條放至肥皂溶液中，接通激光器電源，調(diào)整激光器的角度至可以同時(shí)觀察到入射光線、反射光線和折射光線,如圖10所示.在量角器上可讀出入射角和折射角的角度，代入公式即可求得有機(jī)玻璃條相對(duì)于肥皂溶液的折射率.

圖10 光的折射

4.5 演示光的全反射

接通激光器電源，調(diào)整激光器的角度至可以同時(shí)觀察到入射光線、反射光線和折射光線.緩慢增大入射角，可以觀察到反射光線的亮度在不斷增大，折射光線的亮度不斷減小，當(dāng)入射角達(dá)到某一角度時(shí)，反射光線亮度達(dá)到最大，折射光線消失，即發(fā)生了全反射現(xiàn)象,如圖11所示，此時(shí)在量角器上可讀出臨界角的角度.

圖11 光的全反射

4.6 演示透鏡和面鏡對(duì)平行光的作用

(1)將凸透鏡、凹面鏡分別放至肥皂溶液中，接通激光筆電源，讓平行激光束照射到凸透鏡或凹面鏡上，可以觀察到光束被會(huì)聚,如圖12和圖13所示.其中，在觀察凸透鏡對(duì)平行光的作用時(shí)，可以通過(guò)刻度尺讀出凸透鏡在水中的焦距；

圖12 凸透鏡對(duì)平行光的會(huì)聚作用

圖13 凹面鏡對(duì)平行光的會(huì)聚作用

(2)將凹透鏡、凸面鏡分別放至肥皂溶液中，接通激光筆電源，讓平行激光束照射到凹透鏡或凸面鏡上，可以觀察到光束被發(fā)散,如圖14和圖15所示.

圖14 凹透鏡對(duì)平行光的發(fā)散作用

圖15 凸面鏡對(duì)平行光的發(fā)散作用

4.7 演示光的偏振

(1)將偏振片放置于肥皂溶液中，接通激光筆電源，讓激光束穿過(guò)偏振片，可以看到整條光路具有相同的亮度,如圖16所示.

圖16 光路具有相同的亮度

(2)緩慢旋轉(zhuǎn)偏振片，可以觀察到偏振片前的光路亮度不變，而偏振片后的光路亮度慢慢變暗，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)偏振片，可以觀察到偏振片后的光路達(dá)到最暗的亮度,如圖17所示.

圖17 光路經(jīng)偏振片后變暗

該過(guò)程非常直觀地展現(xiàn)出了偏振片對(duì)激光束作用的過(guò)程，也證明了激光是一種偏振光.

4.8 演示潛望鏡原理

把潛望鏡裝置放入肥皂溶液中，讓激光平射入上平面鏡中，可以看到激光被平面鏡反射后豎直向下射入下平面鏡，再經(jīng)反射后沿水平方向從下平面鏡射出,如圖18所示.

圖18 潛望鏡原理

4.9 演示可視化光纖通信

(1)將信號(hào)發(fā)射模塊、模擬光纖和信號(hào)接收模塊放在同一水平面上，并將有機(jī)玻璃條放至肥皂溶液中.接通電源后，調(diào)節(jié)激光器角度，讓激光束在有機(jī)玻璃條中發(fā)生全反射，并讓出射光線照射到太陽(yáng)能板上,如圖19所示；

圖19 光纖通信

(2)用音頻線將手機(jī)連接至小型功放的輸入端，開(kāi)始播放音樂(lè)，可以看到激光束產(chǎn)生微弱的光強(qiáng)變化，同時(shí)喇叭開(kāi)始播放出美妙的音樂(lè)；

(3)此時(shí)如果用手擋住激光，可以發(fā)現(xiàn)音樂(lè)立刻停止播放，將手移開(kāi)之后，音樂(lè)恢復(fù)播放，以此證明音頻信號(hào)是通過(guò)激光進(jìn)行傳輸?shù)模?/p>

(4)用音頻線將麥克風(fēng)信號(hào)放大器的輸出端和小型功放的輸入端連接起來(lái)，對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)話，可以發(fā)現(xiàn)喇叭發(fā)出對(duì)應(yīng)的聲音，從而達(dá)到了即時(shí)通訊的目的；

(5)將信號(hào)接收模塊移至較遠(yuǎn)的地方，讓信號(hào)發(fā)射模塊和信號(hào)接收模塊相隔較遠(yuǎn)的距離，調(diào)整激光直接照射到太陽(yáng)能板上，對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)話，遠(yuǎn)處的喇叭依然能聽(tīng)到清晰的聲音，充分說(shuō)明了利用激光進(jìn)行通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸損耗低、傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn).

5 裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1)突破傳統(tǒng)，光路可視化.本裝置突破傳統(tǒng)的光路顯示方法，創(chuàng)造性地使用了有機(jī)玻璃條和肥皂溶液進(jìn)行光路的顯示，直觀清晰地展現(xiàn)出了各種光學(xué)現(xiàn)象中的光路，給予學(xué)生充分的感官刺激；

(2)創(chuàng)新拓展，組合性強(qiáng).本裝置可以靈活組合使用，除了能夠演示傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還能演示潛望鏡原理、可視化光纖通信等拓展實(shí)驗(yàn)，大大提高了教具的拓展性，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)讓器材更換更加方便，適合教師在課堂上進(jìn)行分模塊教學(xué)；

(3)取材新穎，推廣性強(qiáng).本裝置整體以有機(jī)玻璃為材料進(jìn)行加工，外觀簡(jiǎn)潔大方，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固穩(wěn)定，提高了教具的耐用性.同時(shí)本裝置操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，富有趣味性，能讓學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象有充分的認(rèn)知，具有較高的推廣性.

6 結(jié)束語(yǔ)

自制教具在中學(xué)物理教學(xué)中具有重要的地位和作用，針對(duì)現(xiàn)有教具的不足進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)造自制教具，可以大大提高物理實(shí)驗(yàn)的演示效果，給予學(xué)生充分的現(xiàn)象刺激，讓學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和物理知識(shí)有更深地理解.本文所介紹的多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)探究?jī)x，正是針對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)教具的不足，在對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，讓光路的可視效果更加明顯直觀，再結(jié)合生活實(shí)際進(jìn)行拓展應(yīng)用，大大增強(qiáng)了物理與現(xiàn)實(shí)生活之間的聯(lián)系，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力.