多功能光路顯示儀的自制與創新

李倬

摘 要：自制光路顯示儀中的零部件大多來源于生活中的廢舊物品，外觀透明、輕巧，可360度旋轉，能夠在不移動臺上器材的情況下，使坐在不同位置的學生清楚地觀察到實驗現象。自制的多功能光路顯示儀可演示光的傳播規律、透鏡對光線的作用、模擬眼睛成像及視力矯正等六個光學實驗，效果良好。

關鍵詞：多功能；光路顯示儀；自制；創新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）11-0010-4

在初中物理光學內容的學習中，對于光的傳播規律的探究需要想辦法顯示出光的傳播路徑。實際教學中一般采用在空氣中制造煙霧、在水中加牛奶（或硝酸銀）等方法，但是煙霧會很快散盡，加雜質的水對光傳播的削弱很明顯，影響顯示效果，造成光路顯示不清。實驗室中配備的顯示儀體積龐大不便于移動攜帶，且配套的半圓形玻璃磚個頭很小，光在其中的傳播路徑很短，不便于學生觀察。另外，相對正常眼，近（遠）視眼的成像不僅因光路難以顯示而不易觀察，更由于其矯正即因普通透鏡無法變焦而不易操作，致使不少物理教師放棄這些實驗的演示。為了解決光學教學中的這些問題，制作了下面這套光路顯示儀。

1 結構簡介

（1）裝置一：可調光源支架

如圖1所示，光源支架由亞克力板制成的長、寬、高分別為4.5 cm、1.5 cm、40 cm的長方體立柱粘合在一長、寬、高分別為10 cm、4.5 cm、1.5 cm的底座上制成，內部封裝有一可自由移動的邊長為3.5 cm的正三角形亞克力板，板面上粘有三塊呈“品”形分布的強磁鐵。用亞克力板制成長、寬、高分別為10 cm、5 cm、2.5 cm兩端開口的光源盒，盒外壁也粘有呈“品”形分布的三塊強磁鐵，能被緊密吸引在支架上。兩只直徑為2.2 cm的綠光激光燈可并排插入光源盒，移動并旋轉光源盒即可調整光源的高度和光線角度。

（2）裝置二：光路顯示儀（一）

如圖2所示，主體是由亞克力板拼裝成的長、寬、高分別為40 cm、3.5 cm、30 cm的長方體盒子，盒底下面裝有兩個6 cm×3 cm的底腳來增加穩度，盒頂兩端用合頁分別連接兩塊18 cm×3.5 cm可掀起的盒蓋，兩盒蓋間裝有一塊4 cm×3.5 cm的加固連接板。內部距盒底11 cm處裝有一與盒底平行的橫隔板，橫隔板上粘有12 cm×2 cm的玻璃鏡面和彎折成不規則波浪狀的鍍膜反射面?？烧郫B角度盤是由亞克力板裁割出的兩個半徑為9 cm的半圓，小合頁把兩個半圓連接，圓周刻有分度值為10 °的角度線，并在圓周粘有強磁鐵如圖2所示，盒內對應位置分別放一強磁鐵就可把角度圓盤吸附在盒子外壁任意位置上。

（3）裝置三：光路顯示儀（二）

如圖3所示，主體為亞克力板制成的長、寬、高分別為30 cm、5.5 cm、10 cm的長方體盒子，盒頂兩端用合頁連接有三塊10 cm×5.5 cm可掀起折疊的盒蓋，內部距左端10 cm處并列裝有兩片高4 cm的水透鏡放置支架，上面放置自制的直徑為5 cm的水透鏡，水透鏡通過長約15 cm的細橡膠管與放在盒外的規格為20 mL的注射器相連，利用注射器改變水透鏡內水量的多少以此來改變水透鏡的焦距，模擬晶狀體的改變，透明盒右壁作為模擬視網膜。左端距盒頂1 cm的前后兩面裝有與盒底平行的放置透鏡的軌道，軌道右端前后兩面之間連接有頂部加固連接桿。演示用的透鏡及鏡片都通過規格為2 cm×0.5 cm的豎連桿粘合在規格為5 cm×1.5 cm的橫桿上，然后把橫桿放置在鏡片軌道適當位置使鏡片掛放在透明盒中。

（4）裝置四：旋轉底座

如圖4所示，底座上端是一塊長、寬、高分別為50 cm、20 cm、1.5 cm的長方體聚合板，聚合板四個角下方分別裝有比底座高度略短的防傾倒螺釘。底座是酒盒的頂蓋，該盒蓋中心內有一直徑為3 cm、高2 cm的圓柱，可做轉軸。另一酒盒塑料底座中心剛好有一圓孔，把直徑擴大到3.1 cm，剛好套在上面盒蓋的中心圓柱上，在圓柱伸出圓孔部分沿直徑方向打兩個小孔，插入一根廢水筆芯，底座和轉軸就連成一體。使用時，裝置一、二、三放在該旋轉底座上進行實驗操作演示，可360度水平旋轉。

2 材料來源

2.1 廢物利用

裝置二中，不規則波浪狀的鍍膜反射面由塑料酒盒底座鍍膜面改裝，玻璃鏡面由鏡面廢料加工而成。裝置三中，水透鏡頂部連接橡膠管部分由學生用過的水筆芯的筆頭改裝而成，水透鏡透明圓環由塑料酒盒上固定酒瓶口的內環改裝而成，彈性膜由透明薄輕質氣球改裝而成，注水裝置由醫用20 mL注射器改裝。裝置四中的聚合板由木工廢料加工而成，下方轉軸由酒盒頂蓋、底座及廢水筆芯改造加工而成。

2.2 網上購買

亞克力板（可用透明酒盒代替）、強磁鐵、激光燈。

3 使用說明

3.1 探究光在空氣、水中的傳播路徑

器材：裝置一、裝置二、裝置四、濃糖水、煙霧。

步驟：

（1）按圖5所示擺放好實驗器材，先在裝置二中加入濃糖水至虛線處，然后在水面上方空間內噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調節裝置一的光源盒到適當高度，旋轉鑰匙開關點亮任一激光燈，使發出的激光水平射入濃糖水中，觀察實驗現象。

（3）升高光源盒的高度，使發出的激光水平射入空氣中，觀察實驗現象。

結論：光在同種均勻介質中是沿直線傳播的。

3.2 觀察鏡面反射和漫反射

器材：裝置一、裝置二、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖5所示擺放好實驗器材，在反射面上方空間內噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調節光源盒到適當的高度和角度并點亮兩只激光燈，讓兩平行光束斜射到平面鏡上，觀察經平面鏡反射后的反射光線。

（3）調節光源盒的角度，讓兩平行光束斜射到彎折面鏡上，觀察經彎折面鏡反射后的反射光線。

結論：平行光經平面鏡反射后仍平行，這種反射叫做鏡面反射；平行光經曲面反射后不再平行，而是射向各個方向，這種反射叫漫反射。

3.3 探究光的反射規律

器材：裝置一、裝置二、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖6所示擺放好實驗器材，向裝置二中噴入適量煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調節光源盒到適當的高度和角度，旋轉鑰匙開關點亮任一激光燈，使發出的激光斜射到平面鏡上的適當位置。然后移動角度圓盤，使圓盤水平分界線與反射面重合，圓盤中心與入射點重合。觀察并讀出反射角和入射角。改變入射角的大小，多次實驗，并觀察反射光線、法線和入射光線的相對位置關系。

（3）將反射光對應的半個角度圓盤向后折轉一個角度，旋轉水平轉臺，觀察發現該半個角度圓盤上并沒有反射光，反射光仍在原位置。

結論：光反射時，反射光線，入射光線與法線在同一平面內；反射光線和入射光線分別位于法線兩側，反射角等于入射角。

3.4 探究光的折射規律

器材：裝置一、裝置二、裝置四、煙霧、濃糖水。

步驟：

（1）按圖6所示擺放好實驗器材，先在裝置二中加入濃糖水至虛線處，然后在水面上方空間內噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）調節光源盒到適當的高度和角度，旋轉鑰匙開關點亮任一激光燈，使發出的激光從空氣斜射到濃糖水中。然后移動角度圓盤，使圓盤水平分界線與水面重合，圓盤中心與入射點重合，比較折射角和入射角的大小，并觀察折射光線、法線和入射光線的相對位置關系。然后，改變入射角大小，觀察折射角的變化情況。

（3）將折射光對應的半個角度圓盤向后折轉一個角度，旋轉轉臺，觀察發現該半個角度圓盤上并沒有折射光，折射光仍在原位置。

（4）調節光源盒到適當的高度和角度，讓光從濃糖水斜射到空氣中，比較折射角和入射角的大小。

（5）調節光源盒到適當的高度和角度，讓光從空氣中垂直水面射入水中，比較折射角和入射角的大小。

結論：光折射時，折射光線、入射光線和法線在同一平面內；折射光線和入射光線分別位于法線的兩側，折射角隨入射角的增大而增大，隨入射角的減小而減小。

3.5 探究凸（凹）透鏡對光線的作用

器材：裝置一、裝置三、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖7所示擺放好實驗器材，在透明盒內噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）用注射器向水透鏡中注入適量的水，使其為凸透鏡。讓兩平行光束水平射向水透鏡，觀察經水透鏡折射后的光線。

（3）用注射器從水透鏡中抽出適量的水，使其為凹透鏡。讓兩平行光束水平射向水透鏡，觀察經水透鏡折射后的光線。

結論：凸透鏡對光線有會聚作用，凹透鏡對光線有發散作用。

3.6 眼睛與視力糾正

器材：裝置一、裝置三、裝置四、煙霧。

步驟：

（1）按圖7所示擺放好實驗器材，在透明盒內噴入煙霧并蓋上盒蓋。

（2）讓兩平行光束水平射向水透鏡，用注射器調節注入的水量，使會聚點剛好落在模擬視網膜上。

（3）用注射器向水透鏡注入適量的水，使會聚點落在模擬視網膜前方。

（4）在裝置三透鏡軌道上放置一個近視鏡，調節好位置，使會聚點恢復落在模擬視網膜上。

（5）用注射器從水透鏡中抽出適量的水，使會聚點落在模擬視網膜后方。

（6）在裝置三的透鏡軌道上放置一個老花鏡，調節好位置，使會聚點恢復落在模擬視網膜上。

結論：焦距合適的凹透鏡能矯正近視眼，焦距合適的凸透鏡能矯正遠視眼。

4 該套裝置的特點及創新

裝置一、二、三主體都是用亞克力板粘合而成，透明、輕便、靈巧。光源支架立柱內封裝有一粘有“品”形強磁鐵的三角形亞克力板，能和光源盒外壁的品形強磁鐵對應吸附在一起，光源盒可根據需要沿立柱上下移動及旋轉。

在裝置二內裝入的濃糖水，因糖分子較大，光通過濃糖水時散射比較明顯，從而使光在其中傳播時路徑能清晰呈現。在糖水上部空間噴入適量煙霧后，馬上把蓋子蓋上可防止煙霧消散，實驗過程中一般不需補充加煙，就能保障光在空氣中的路徑長時間清晰呈現?？烧郫B角度盤利用盤上固定的兩粒強磁鐵與盒內自由強磁鐵相吸，能停留在透明盒外壁任一位置。入射光線方向固定后，可調整角度盤使入射點與盤中心重合、盤上橫刻線與反射面重合。讓兩條平行光分別斜射向鏡面和彎折反射面，能把鏡面反射和漫反射的光路清晰呈現。

在裝置三中噴入適量煙霧后蓋上蓋子，利用注射器改變水透鏡的凸凹程度，即可演示凸、凹透鏡對光線的會聚、發散作用及正常眼視物光路、近（遠）視眼視物光路。其中的置鏡軌道能方便把帶有吊架的鏡片放在上面，便于鏡片的移動、取放，在水透鏡及光源間置鏡軌道的適當位置上掛放凹（凸）透鏡片即可演示近（遠）視眼的矯正光路。

利用木工板和酒盒頂蓋底座改裝的旋轉載物臺可360度旋轉，能在不移動臺上器材的情況下多角度全方位進行現象觀察，四角下方的防傾倒螺釘能預防載物臺受力不勻而翻轉，避免器材掉落損壞。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]義務教育物理課程標準實驗教科書編寫組.義務教育課程標準實驗教科書：物理8年級[M].上海：上?？茖W技術出版社，2016.

（欄目編輯 趙保鋼）