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        霧化式幾何光學(xué)演示儀

        2021-05-12 00:48:38葉澤波陳丹慧劉丹瑜李德安
        物理實(shí)驗(yàn) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:亞克力光屏凸透鏡

        葉澤波,陳丹慧,劉丹瑜,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)

        現(xiàn)有的教具利用肥皂液體的丁達(dá)爾效應(yīng)顯示光路[1-5],由于液體不能過(guò)重局限了教具的尺寸,使得演示過(guò)程中只有前排的學(xué)生可以看到演示現(xiàn)象. 針對(duì)傳統(tǒng)教具的不足,結(jié)合人教版初中物理第四章“光現(xiàn)象”和第五章“透鏡及其應(yīng)用”[6]的相關(guān)內(nèi)容,設(shè)計(jì)了長(zhǎng)為1.2 m的霧化式幾何光學(xué)演示儀,克服了傳統(tǒng)教具可視范圍小的局限,并可用于演示初中幾何光學(xué)中所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,同時(shí)對(duì)初中幾何光學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行拓展補(bǔ)充,以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng),讓學(xué)生感受到物理學(xué)科的魅力所在.

        1 設(shè)計(jì)思路

        利用5 mm厚的透明亞克力板制作長(zhǎng)方體箱子,將上板面中間裁剪出長(zhǎng)矩形作為導(dǎo)軌. 利用8 mm厚的透明亞克力板與各光學(xué)器件拼接,通過(guò)螺桿與亞克力片連接懸掛在導(dǎo)軌上. 利用煙餅產(chǎn)生的煙霧來(lái)顯示光路.

        2 裝置制作方法

        霧化式幾何光學(xué)演示儀實(shí)物圖如圖1所示.

        圖1 霧化式幾何光學(xué)演示儀實(shí)物圖

        2.1 箱子主體

        利用5 mm厚的透明亞克力板和直角固定架拼接成120 cm×30 cm×40 cm的箱子主體. 箱子右側(cè)留有半徑為3 cm的圓孔,可放置平行光源與立體光源.

        2.2 光學(xué)器件

        將各光學(xué)元件卡入對(duì)應(yīng)的亞克力板中,將螺桿與亞克力板黏合,螺桿上端掛有帶螺母的亞克力片,即可懸掛在導(dǎo)軌上.

        2.3 光源

        1)激光光源是由單支激光筆所發(fā)出的點(diǎn)狀光源,用于演示點(diǎn)光源或平行光源中某一光路的傳播變化. 將單支激光光源固定在激光發(fā)射器萬(wàn)向支架上,連接電源即可用于實(shí)驗(yàn)演示.

        2)類(lèi)平行光源是指多支激光筆等距排列所組成的組合光源,用于演示平行光中同一平面不同光線的傳播路徑. 將5支激光筆等距地固定在亞克力板上,每支激光筆由獨(dú)立的開(kāi)關(guān)控制,微調(diào)每支激光筆的角度,使5條激光光路之間相互平行.

        3)立體光源是指單支激光筆勻速旋轉(zhuǎn)所發(fā)出的圓環(huán)狀光源,其作用為演示平行光在立體空間中的傳播光路. 將2只激光頭與2個(gè)電池盒對(duì)稱(chēng)地粘在圓形亞克力板上(為了防止偏心運(yùn)動(dòng)),并將亞克力板固定在微型小馬達(dá)的軸承上.

        4)F光源是由多個(gè)LED燈按照一定的排列順序拼接而成的光源,其作用為演示凸透鏡的成像規(guī)律. 將多個(gè)LED光源在面包板上排列成“F”的形狀,并將其并聯(lián)焊接,接入電源即可使用.

        3 實(shí)驗(yàn)演示及現(xiàn)象

        演示內(nèi)容可以分為常規(guī)實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn). 常規(guī)實(shí)驗(yàn)包括:光的反射與折射、鏡面反射和漫反射、凹凸面鏡對(duì)光線的作用、凹凸透鏡對(duì)光線的作用、凸透鏡焦距的測(cè)量、探究凸透鏡成像規(guī)律. 拓展實(shí)驗(yàn)包括:光的全反射、凸透鏡對(duì)立體光源的作用、眼睛和眼鏡.

        3.1 觀察反射、折射和全反射現(xiàn)象

        點(diǎn)燃煙餅,待煙霧在箱內(nèi)均勻分布,將亞克力磚懸掛在導(dǎo)軌上. 開(kāi)啟激光光源并且照射亞克力磚的頂部,利用煙霧觀察玻璃磚界面的反射及折射現(xiàn)象. 改變?nèi)肷潼c(diǎn)并且調(diào)整入射角大于全反射臨界角,可以觀察到玻璃磚內(nèi)的全反射現(xiàn)象,如圖2所示.

        (a) 反射和折射

        3.2 凹凸面鏡對(duì)光線的作用

        將凹凸面鏡組合器件放入滑軌中,開(kāi)啟類(lèi)平行光源依次射向凹面鏡和凸面鏡,可以分別觀察到凹面鏡對(duì)光線的會(huì)聚作用和凸面鏡對(duì)光線的發(fā)散作用,如圖3所示.

        (a)凹面鏡

        3.3 鏡面反射和漫反射

        將鏡面反射、漫反射組合器件放入導(dǎo)軌中,開(kāi)啟類(lèi)平行光源,調(diào)整使其照射在器件中心,觀察反射光路,如圖4所示.

        (a)漫反射

        3.4 凹凸透鏡對(duì)光線的作用

        將薄凸透鏡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)凸透鏡)、薄凹透鏡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)凹透鏡)放入導(dǎo)軌中,打開(kāi)類(lèi)平行光源,調(diào)整使中心光線照射在凸透鏡和凹透鏡的中心,可以分別觀察到凸透鏡對(duì)光線的會(huì)聚作用和凹透鏡對(duì)光線的發(fā)散作用,如圖5所示.

        (a)凹透鏡

        3.5 凸透鏡焦距的測(cè)量

        將凸透鏡、光屏放入導(dǎo)軌中,刻度尺置于箱子上板面. 開(kāi)啟類(lèi)平行光源,使中心光線照在凸透鏡的中心,觀察光線經(jīng)過(guò)凸透鏡會(huì)聚,移動(dòng)光屏,找到焦點(diǎn),見(jiàn)圖6. 由滑軌上的刻度尺讀出透鏡與光屏2個(gè)光具座的距離之差,即得該透鏡的焦距.

        圖6 焦距的測(cè)量

        3.6 探究凸透鏡成像規(guī)律

        將凸透鏡放置在滑軌適當(dāng)位置處,F(xiàn)光源和光屏分居凸透鏡兩側(cè),調(diào)節(jié)三者使其中心等高同軸. 開(kāi)啟F光源,調(diào)節(jié)凸透鏡的位置,使物距u>2f,f

        (a)u>2f

        3.7 眼睛和眼鏡

        近視眼及其矯正:將水透鏡和光屏放入滑軌中,開(kāi)啟類(lèi)平行光源,調(diào)整水透鏡與光屏的位置,使得光線會(huì)聚在光屏上. 通過(guò)注射器向水透鏡內(nèi)適當(dāng)注水模擬近視眼晶狀體的狀態(tài),可以說(shuō)明近視眼成像在光屏(視網(wǎng)膜)前. 選擇適當(dāng)?shù)陌纪哥R(眼鏡)使光線會(huì)聚在光屏(視網(wǎng)膜)上,如圖8所示.

        (a)

        3.8 凸透鏡對(duì)立體光源的作用

        放置立體光源,調(diào)整其位置. 依次打開(kāi)光源和小馬達(dá)的開(kāi)關(guān),在導(dǎo)軌中放入凸透鏡,觀察立體光線經(jīng)過(guò)凸透鏡后的會(huì)聚現(xiàn)象,如圖9所示.

        圖9 立體光源演示

        3.9 裝置優(yōu)點(diǎn)

        1)利用煙霧直觀清晰地顯示光路,突破初中光學(xué)內(nèi)容學(xué)生無(wú)法親眼觀看光路的教學(xué)難點(diǎn).

        2)可根據(jù)需求更換相關(guān)單元,滿(mǎn)足教學(xué)的個(gè)性化需求,可拆卸、靈活調(diào)整和組裝,裝置輕便. 方便教師演示不同光學(xué)現(xiàn)象,達(dá)到一物多用.

        3)巧妙設(shè)計(jì)倒掛式滑軌以及配套的刻度尺,移動(dòng)方便,適合教師與學(xué)生拓展創(chuàng)新和自主探究.

        4 結(jié)束語(yǔ)

        霧化式幾何光學(xué)演示儀對(duì)初中幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新和整合,能更好地幫助學(xué)生掌握光的有關(guān)知識(shí),構(gòu)建相關(guān)理論體系,達(dá)到了優(yōu)化的效果. 同時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示培養(yǎng)學(xué)生正確的物理思維,提高學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治鰵w納的能力,增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng),讓學(xué)生感受到物理學(xué)科的魅力所在.

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