几何光学实验教学的创新设计

徐忠岳 曾 裕 蒋富华

(1.东海中学,浙江 舟山 316000;2.舟山市第二中学,浙江 舟山 316000)

1 光源的改进——自制激光源

如何清晰地显示出光的传播路径是几何光学实验设计必须考虑的问题.常用的方法有烟雾法和光线扩束法.如图1所示的J2513型激光光学演示仪是浙江大学光学仪器厂于上世纪90年代研制的专利产品,是目前广泛使用的中学教学仪器之一.此仪器利用柱面扩束镜将点状激光束变成“一字”线状激光,再通过固定在分束器上的反光镜之后在屏板上留下一条径迹.［1］显然扩束和镜片反射,分散了光束的能量,使真正沿着屏板传播的光的能量不多,留在屏板上的径迹并不明显,往往需要在比较黑暗的环境中进行演示.

图1

在普通激光笔前加装一个L形镜片就可提高光路的可视性.激光笔发出的光线经过L形镜片扩束,在前方屏幕上形成一段射线状的光迹.如图2(a)所示,如果将镜片的下端靠在屏板上,就会在屏板上留下一条可表示光传播方向的明亮光路,而且对屏板的平整度要求也不高.如图2(b)所示,自制激光源由装有L形镜片的镜帽、套筒和激光笔3部分组成.套筒底部固定2个直径为1cm的铷磁铁,便于将激光源吸附在铁质材料上.在套筒内壁用电烙铁烫出1条深约3.0mm的凹槽,以便将激光笔的开关顺着此槽塞入套筒中.

图2

2 制作多功能“反射、折射和全反射”演示仪

一般采用J25011或J25015型光的反射、折射和全反射演示器来探究水的折射率,采用J2513型激光光学演示仪来探究玻璃的折射率.对于折射实验演示教学,显然这些仪器功能单一,可见度和精确度都不够.如图3所示的仪器为自制的多功能“反射、折射和全反射”演示仪,与上述激光源配套使用,可用来直观精确地演示“空气—玻璃”、“空气—水”、“玻璃—水”之间发生的折射现象.其中容器部分为40cm×4cm×22cm的玻璃槽,屏板为40cm×45cm的有机玻璃板,屏板上贴有塑料材质的360°量角器.将1枚螺丝用502胶水粘在半圆形玻璃砖上作为固定玻璃砖的支架.使用时只要转动螺帽即可将玻璃砖挤压在屏板上,不用时松开螺丝就可取下玻璃砖.转动臂为长30cm的钢尺,用以吸附激光源.转轴为1段直径1cm、长1cm的有机玻璃棒,并在中间用丝锥制作1个直径4mm的内螺纹,然后用三氯甲烷把它固定在圆心位置.在钢尺的适当位置上先打1个直径4.5mm小孔,再用丝锥制作一个直径5mm的内螺纹用来安装定位螺丝.

图3

本仪器使用起来十分便捷,演示时只要旋转转动臂即可改变入射角的大小,而且可见度好、精确度高.由于水的表面张力会形成凹形液面,当光从空气入射水中时,屏板上看不到反射光线.如何解决这一问题呢？简便的做法是在水面上铺一张较薄的无色透明的塑料纸,这样既可以消除凹形液面的影响,又能减弱水面上的晃动.

3 折射定律与折射率的实验教学

(1)分组探究实验.

演示实验重点在“看”,分组实验重点在“做”.显然在条件允许的情况下,分组实验更有利于对学生进行基本实验操作技能、实验分析和设计能力的培养.折射定律和折射率探究实验不仅趣味性强,而且涉及数据测量、科学猜想、数据分析和归纳等环节,颇具教学价值.由于价格昂贵,J2513型激光光学演示仪只作演示教学之用.有了自制激光源,开展随堂实验或组织课外自主探究就是举手之劳的事了.

如图4所示,利用上述激光源、印有360°量角器的A4纸和半圆形玻璃砖即可以让学生自主探究发生在空气和玻璃之间的折射现象.图中量角器的精度为1°,角度测量较为准确,有利于定量研究入射角与折射角之间关系,得出折射率的概念及其表达式.教学时,可将学生分成两组,分别测量并记录10～20组绿光和红光的入射角和对应的折射角,指导学生通过旋转A4纸来改变入射角以提高实验效率.

图4

如果实验室缺少半图形玻璃砖,可以用平行玻璃砖代替.如图5(a)所示,测量折射角时先用细笔尖的铅笔依次标出各折射光的出射点.然后用直尺连接出射点和入射点,即可从量角器上读出折射角的大小了(如图5(b)所示).由于可以看到完整的光路,此方法还可以为后续的学生分组实验打下伏笔,帮助学生理解光路可逆这一“插针法”测玻璃砖折射率的实验原理.

图5

(2)演示实验教学.

将上述学生实验数据录入Excel电子表格并生成如图6所示的数据分析图,可知随着入射角的增大折射角也随之增大,且对于同一组实验,入射角和折射角的正弦值的比值保持不变.对比2组数据分析,发现绿光从空气入射玻璃(冕玻璃K6)时的比值(约为1.520)要大于红光(约为1.509),即绿光更容易偏折.上述对比实验可为后续的棱镜色散、彩虹等相关内容的教学提供了有力的理论和实验基础.然后提出问题:光从空气斜射到水中时,是否也有这样的规律呢？实验发现的确如此,只是比值稍小一些.再往容器中注入一定量预先配制好的高浓度氯化钠或蔗糖溶液,发现上述结论依然成立.

图6

如果光从玻璃射入水中会怎么样呢？如图7所示,调整半圆形玻璃砖位置,让弧形面朝上,并使其圆心和量角器的中心对齐,转动螺帽将半圆形玻璃砖“顶”在容器中.然后向容器中倒水,水面漫过量角器中心即可演示.演示结果让学生非常惊讶:“怎么入射角还比折射角大？”,他们开始认识到折射与两种介质都有关系.

图7

通过以上实验,说明入射角正弦值sinθ1和折射角的正弦值sinθ2的比值n12(相对折射率)可以反映物质的某种特性.n12与两种介质都有关系,并且与光的颜色有关.如果光从真空入射到某种介质中,那么n只与这一种介质有关,即

以上设计主要是出于对折射定律普适性和学习意义的考虑.仅凭一组数据或实验就得出折射定律和折射率概念,显然是不科学的.需要通过一定数量的对比实验,让学生认识到sinθ1/sinθ2可以反映物质的光学性质,用来物质鉴定和材料开发等,所以有必要让学生认识到将它定义为折射率是很有意义的.另外,作为介质,空气不如水和玻璃来得直观,如果只演示光从空气射入到水或玻璃时发生的折射现象,学生很难理解折射与两种介质都有关系,从而难以理解相对折射率、光疏介质和光密介质等概念,不易突破从“相对折射率过渡到绝对折射率”时的思维障碍.

4 全反射及光纤通信

(1)全反射实验教学.

利用如图4所示的器材组织定量的分组实验,让学生自主探究光在玻璃和空气的界面上发生的全反射.如图8所示,用上述自制的演示仪来演示光在“水和空气”及“玻璃和水”的界面上发生的全反射现象.为加深对全反射产生条件及临界角的理解,可以在得出结论后,通过“红光与绿光”的对比实验进一步探究临界角与折射率的定量关系.

图8

(2)制作光纤通信演示装置.

光纤通信演示装置由两部分组成:其中激光笔和手机串联起来接入电池,组成信号发射部分;太阳能电池板和便携式扬声器串联,组成信号接收装置.［2］如图9(a)所示,把声音信号加载到激光器上,将其转化为光信号向外发射.如图9(b)所示,利用太阳能电池板接收光信号,把光信号还原成包含声音信息的电信号,输入到便携式扩音器中进行播放,就能实现激光通信了.

图9

(3)光纤通信教学建议.

如何有效地引入光纤通信教学呢？如图10所示,可通过由直到曲的渐进方式来引入,其中量筒和弯曲玻璃管中的物质为豆奶和水形成的胶体.手机里播放的音乐竟然通过光纤传到了喇叭里,学生无不惊叹.由此可知,尽管光纤已经进入了寻常百姓家,对于学生“全反射和光纤通信”还是非常神秘的.通过演示光纤通信,可使抽象的全反射和声光电转换变得生动和亲切,让学生体验物理学“照亮世界”的无穷魅力.

图10

5 用实验辅助光路分析

画光路图时往往需要根据光的反射、折射和全反射规律进行定性和定量的分析.利用实验辅助光路分析,实施循序渐进的教学是很有必要的.自制激光源可以产生清晰明亮的光路,并能直接观察到玻璃下面的光路,看到光在每一个界面上发生折射和反射时的情景,能用来辅助发生多次折射和反射时的较为复杂的几何光学实例分析.

首先提出任务:请作出平行光通过凸透镜(或凹透镜)的光路图.然后,用两支自制激光源进行演示,如图11(a)所示.绝大部分学生发现自己没有画出反射光线,此时应该及时提醒学生:在某一界面同时发生反射和折射时,入射角增大时反射光线会随之增强,而折射光线则随之减弱;当入射角大于等于临界角时,会发生全反射,此时折射光线消失.在初中阶段不画反射光线是因为对于薄透镜反射光线相对较弱,并不是因为没有反射光线.

图11

接着要求学生作出光通过全反射棱镜时的光路图,如图11(b)所示.吃过上次问题的“亏”,学生定会谨慎分析,当他们发现自己所作的图与教师的演示一致时,喜悦之情溢于言表.此时应该及时鼓励,并进一步提高难度,让他们尝试作出光线通过不均匀蔗糖水时的光路图.如图11(c)所示,先往槽中倒入适量清水,然后通过长颈漏斗向容器底部缓缓注入事先配好的浓糖水,无需静置即可演示.

教师提问:光在这种不均匀的介质中也沿直线传播吗？

学生摇头:“会发生弯曲.”

追问:“往哪个方向弯曲？试试看？”

绝大部分学生会根据糖水浓度的变化,判断出光将发生大角偏折,但只有其中的小部分注意到当入射角增大到一定程度后可能发生全反射,此时光向左下方做小角偏折.

演示实际光路,做必要的肯定、鼓励和交流后,提出更难的问题:要求作出光通过等边三棱镜时的光路图,如图11(d)所示——有些较弱的光线现场能看到,但照片中没有体现出来.

以上教学设计力图符合学生的思维水平,达到“跳一跳方可摘到思维的果实”之功效,让学生在体验失败和成功的过程中,培养其敢于挑战、善于思考的学习品质.

1 浙江大学光学仪器厂.激光光学演示仪［P］.中国专利:94210553.2,1995－03－29.

2 曾裕,余杰.科学器材在物理教学中的“天然”价值——以“光导纤维”的探究式教学为例［J］.中学物理教学参考,2013(11):17－19.