教具“多功能水箱”

田艳 郭长江

摘    要： 本文展示了一个自制的实验教学仪器“多功能水箱”，它可以有效演示光的全反射、特体内部压强的规律和虹吸等实验现象，达到了一个教具，多功能展示的效果，可以有效拓展学生思维，强化实验教学效果。

关键词： 全反射    多功能    水箱

在现实生活中，光的全反射现象及其原理已被广泛应用，如光导纤维内窥镜、光纤传感器及光纤通信等。光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，由两层折射率不同的材料组成，一般内芯玻璃的折射率比外芯大，当光线射到内芯和外芯界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射，这就是光纤传输原理——光的全反射。

一

为了更好地在高中物理课堂上演示光的全反射实验，我们自行设计、制作了一个实验装置，即“导光水柱”，实验装置如图一所示。该装置的实验目的是使学生通过该演示实验了解弯曲水柱的导光现象，理解光在光密与光疏介质界面的全反射的工作原理。

图一    导光水柱的实验实物图

该实验装置的实验原理是光由光密介质（即光在此介质中的折射率大）射到光疏介质（即光在此介质中的折射率小）的界面时，当光线入射角大于临界角时，光线透不过界面，全部反射。其中光有光密介质进入光疏介质时，入射角一般比折射角小，当入射角增加到一定值时，折射光线沿介质表面进行，即折射角为90°，则该入射角称为临界角。

我们利用导光水柱演示光的全反射的原理，在大水槽和小水槽底部都放入适量的水，大水槽的水要淹没潜水泵10cm左右，这样不容易损坏潜水泵，将激光笔对准小水槽出水孔的侧面，打开激光笔电源，调节激光笔角度，使出光方向正对出水孔，可以看到红色激光是沿直线传播的。打开潜水泵电源，为小水槽上水，至加满水槽，有多余的水从出水孔流出，我们可以发现红色激光弯曲了，用一个白色纸板接住流出的水会发现有红色激光，激光随水流弯曲了，这就是导光水柱的实验现象。如图二所示，一束激光从小水槽侧面穿过出水孔，光路不再沿水平方向射出，而是随着水流的方向射出。

图二    导光水柱全反射的光路

本教具用于高中物理课堂演示，结合光的全反射知识，首先可以作为光的全反射这一节新课的导入，让学生观看到神奇的实验演示效果，设置疑问，激发学生学习兴趣，进而展开全反射的实验教学，并在新课结束之后让学生画出光的传播路线，首尾呼应，还可以检验本节课的实验效果。其次可以作为讲解光导纤维的课堂引申和实验探究活动，在新课结束之后，教师向学生展示，启发学生思考该装置的实验原理，并画出光路图进行分析。

二

我们设计的教具不仅可以演示光的全反射，还可以演示其他物理概念，只需要对实验器材改造一下即可，见下列四种实验设计。

1.高中物理：平抛运动

利用小水槽出水孔喷出水的轨迹作为解释平抛运动现象。

2.初中物理：探究液体内部压强的特点

在小水槽上多打了高度不同的两个孔，可以演示探究液体内部压强与深度（或种类）之间的关系的实验。如图三所示，液体的深度越深，液体内部的压强越大，液体射程越远;在同一深度处，液体的密度越大，液体内部的压强越大，射程越远。

图三    探究液体内部压强的特点的原理图与实物图

3.初中物理：虹吸现象

虹吸现象是液态分子间引力与势能差造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成相同高度，水就会停止流动。如图四所示，利用虹吸现象可将容器内的水抽出，其中重力在虹吸过程中扮演了重要角色。

利用虹吸原理必须满足三个条件：第一，管内先装满液体;第二，管的最高点距上容器的水面高度不得高于大气压支持的水柱高度;第三，出水口比上容器的水面低，这样使得出水口液面受到向下的压强（大气压加水的压强）大于向上的大气压，保证水能流出。

图四    虹吸实验原理图和实物图

4.初中物理：自制潜水艇

潜水艇既能够在水面上航行，又能够潜入水底航行，这就需要上潜和上浮：潜水艇有一个很大的压载舱，潜水艇自身体积始终不变，所受浮力也不变，通过改变自身重量实现浮沉。当打开进水口，往里面灌水后，自身重量增加而下潜;当用压缩空气将舱内的水压出，潜艇自身重量减轻而上浮。

如图五所示，本实验通过大容量针筒吸出瓶内（压载舱）空气，瓶子吸入水增加自身重力而下潜，通过针筒压入瓶内空气，排出瓶中水减轻自身重力而上浮。

图五    潜水艇的原理图和实物图

“导光水柱”教具原本是作为光的全反射这一节新课的导入，但是经过精心设计，可演示其他各类试验，“多功能水箱”教具实现了多功能的演示效果。将此装置作为演示教具的好处：一是新颖，可活跃课堂气氛，激发学习兴趣。二是联系高科技，高科技并不是遥不可及的，而是以平时所学知识为基础。三是可自己动手制作，学以致用，即利用已学知识，学生能够凭借丰富的想象力进行探究，从而增加学生对科学技术的热忱，实现情感态度与价值观维度的教学目标。