多功能光学演示仪在物理教学中的应用

魏学锐 刘旭威 何京妮 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

多功能光学演示仪在物理教学中的应用

魏学锐 刘旭威 何京妮 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

光学部分是初中物理教学中的一个难点，欠缺教具辅助教学是造成学生认知困难的一个重要因素．文中介绍了一种多功能光学演示仪的制作方法，并将其应用于日常教学中．

光学 教具 多功能

1 前言

掌握光的各种现象，会用光学基本知识来解释生活中常见的光学现象是对初中学生学习光学部分的要求．如果没有相应实验演示器材的话，学生只能靠想象，比如光的反射、光的折射现象，学生只能靠书本上的描述记住物理规律．尤其是透镜、面镜对光的作用以及凸透镜成像规律，初中阶段的学生更是难以理解．

而本文介绍的“多功能光学演示仪”，不仅让学生能观察到明显的实验现象，也可减少教师准备实验的工作量．

2 教具功用

本教具功用分为常规实验以及拓展实验两部分，具体内容见下表．

表1 多功能演示仪功能用途

3 教具装置

本教具为成套装置，不同的组合方式可以完成不同的实验．以下是演示仪的装置图(图1)及相应的介绍．

图1 教具整体装置图

4 制作材料和方法

整体框架：有机玻璃板用ABS胶粘合成A，B，C 3个箱．以下介绍的是各个实验所用到的材料及相应的设计：

(1)小孔成像(白炽灯、LED双向标作为光源)．白炽灯.一个白炽灯串联电位器，220 V交流电供电；LED光源.多个高亮LED并联焊接、3 V电池盒供电；小孔.黑色卡纸裁剪多种形状孔．光屏.PVC白板；将以上器材放入光具座即可演示小孔成像实验．

(2)光的反射．光雾水槽(用有机玻璃板粘合)中、水槽底部放入平面镜、侧面放角度盘，激光笔用架子固定从外部入射，即可改变入射角多次探究光的反射规律．

(3)平面镜成像规律探究(佩珀尔幻像)．按图4设计和摆放，在C区放水杯，A区放蜡烛，B区对角线加入0.3 mm亚克力玻璃板、可从B这个角度看到蜡烛的幻象．

(4)光的折射：与光的反射类似，但为了显示空气中的光路，用点燃艾条产生烟雾．

(5)光的色散：白色强光手电照射三棱镜．

(6)色光合成：用红、绿、蓝强光LED，各配3 V电池盒和散热片．

(7)透镜对平行光的作用．平行激光器：由5个激光头串联焊接，4.5 V电池盒供电；导轨：一块45 cm×100 cm的亚克力中间割开2.5 cm×90 cm的槽，贴上纸质尺．导轨中间槽倒插入透镜，一边插入平行激光器，放入艾炙盒．即可观察光路．

(8)凸透镜成像规律：用米尺制作的光具座上安装上透镜，用前面LED光源、光屏即可探究规律．

5 使用方法和效果

5.1 小孔成像演示

(1)将其中两个A和C号箱如图9组合在一起，加上光具座．首先我们用白炽灯进行试验，我们可以发现小孔的形状、大小跟成的像是没有关系的．

(2)假如把光源换成LED点阵组成的蓝色跟绿色的箭头，可以发现虽然成的像还是倒立的箭头，但是LED成的每一个点的像是跟小孔的形状有关的(图2)，因为对于LED点光源而言，小孔不能再称为“小孔”了．在这个实验中可以引导学生理解小孔成像中的“小”的含义．

图2 不同形状的小孔成的像是不一样的——孔相对于LED点光源来说不再是“小孔”.从左至右分别为三角形、方形、圆形对箭头形状LED成的像

5.2 光的反射[1]

图3 光的反射实验效果 图4 佩珀尔幻像

在光雾水槽底部置放平面镜，在艾炙盒平台中放入艾炙盒，点燃艾条，盖上光雾水槽盖等待10s左右，在光雾水槽外用可调角度的激光笔调整角度，观察角度盘即可读出入射角与反射角(图3)．

5.3 佩珀尔幻像演示(魔术)[2]

把教具摆放成如图4所示形状，A,B,C3号箱子形成L型．在相应的卡槽中插入对应的板，营造一个比较昏暗的氛围．在A箱中放入蜡烛并点燃，在C箱中适当位置处放一个水杯，并往水杯中加水，会发现在观察窗口看来，蜡烛被水淹没之后依然会燃烧．这就是“水中燃烧的蜡烛实验”．另外，还可以用同样的方法做“烧不破的气球”实验．揭秘魔术：平面镜成像原理．在明室、暗室以及观察室底部贴上坐标纸，打开暗室灯，用荧光棒进行精准定位，揭示平面镜成像规律．

5.4 光的折射

(1)首先在光雾水槽中加入适量的浊液，在光雾水槽底部置放平面镜，在艾炙盒平台中放入艾炙盒，点燃艾条，盖上光雾水槽盖等待10s左右，在光雾水槽外用可调角度的激光笔调整角度，即可观察到光的折射现象(图5)．观察角度盘即可读出入射角与折射角．

图5 光的折射演示现象 图6 光的全反射现象

(2)如果将激光笔的光线调整至从水里往空气中投射，即可观察到“全反射现象”(图6)，相当明显，可以作为初中生的拓展思维实验之一．

5.5 光的色散

摆放好三棱镜，用强光手电筒照射三棱镜，合理调整三棱镜角度，即可观察到“彩虹”出现．

5.6 光的合成(三原色合成)

在A号箱里放置好三原色合成器(图7)，分别打开3种颜色LED灯，可以发现三种颜色各自重合的部分都出现了新的颜色，3种颜色交汇出合成了白色(图8)．

图7 三原色合成器 图8 色光合成效果

5.7 透镜、面镜对平行光线的作用

(1)将A和C号箱组合成如图9和图10所示样，点燃两个艾炙盒中的艾条，等待约1min，将平行激光器以及凸透镜摆放好位置，在箱子外即可观察到凸透镜将平行光线汇聚成一点，通过光具导轨可读出示数．

图9 凸透镜汇聚平行光

图10 凹透镜发散平行光

(2)将凸透镜换成凹透镜、凹面镜、凸面镜，调整距离，即可观察到平行光在相应透镜/面镜作用下的现象．

5.8 凸透镜成像规律探究[3]

把A号箱与C号箱组合成如图9所示形状，并加上光具座．我们用绿色跟蓝色的双向箭头作为光源，焦距为10cm的凸透镜作为成像工具进行演示．光屏上画有标尺，通过观察像的大小与光屏刻度长度的大小可以知道像是放大还是缩小(图11)．

图11 出现实像

当只开绿灯时，我们发现箭头方向反了，说明成的是上下倒立的实像(图12)；当蓝、绿灯同时打开时，我们发现蓝绿灯不仅上下颠倒，而且是左右颠倒了．这可以极好地让学生理解“倒立”的实质(图13)．

图12 上下颠倒的箭头

图13 左右颠倒的箭头

6 教具创新点

(1)小孔成像演示比常规实验增加了一个探究部分，利用LED点光源的特点，引导学生更好地理解小孔成像中“小孔”的含义；

(2)采用魔术(佩珀尔幻像)的手段演示平面镜成像，做出“不可思议”的效果并通过魔术揭秘的方式让学生掌握平面镜成像的特点．

(3)光的合成实验中，采用方形的灯光区域合成，结构不易变形，便于搬运．

(4)自制平行激光器，很好地演示面镜、透镜对平行光的作用．另外，我们采用倒插的方法，移动平行激光器以及透镜，通过具座尺读出读数，并可以测定凸透镜焦距．

(5)凸透镜成像规律演示中，光具座上加了小LED灯，帮助读数，以免在较暗的环境中无法读数；光源用LED灯，节能、环保；此外，采用了蓝绿箭头帮助学生理解“倒立”的真正含义．

(6)每个箱子标有相应序号，不易混淆．

1 林保银,熊玮. 初中生家庭光学实验案例设计.教学仪器与实验,2009(3):35～36

2 解问鼎,郭雅洁,陶洪. “佩珀尔幻象”的光学原理及其在初中物理教学中的应用.物理教师,2014(10):40～42

3 吕秋波. 对光学演示实验的改进.物理教学探讨,2007,22(4):59～60

2016-08-31)