艾草在光路显示中的创新应用

摘要：用艾草烟显示光路是一种健康环保的实验方法，形成的光路具有清晰和稳定持久的优点.自制以艾草为烟雾源的光路演示器，演示器利用丁达尔效应来显示光路，利用单片机控制风扇、舵机、电热丝和步进电机的工作状态，具有灵活高效的优点，可以广泛应用于光路的显示实验.

关键词：光路；烟雾；艾草

作者简介：徐忠岳（1975-），男，浙江舟山人，本科，中學高级教师，研究方向：高中物理学科教学.

光路的显示一直以来都是中小学光学实验设计的主要难点之一.目前光路显示的主流方法可以归纳为两种：一种是通过柱状或棱形玻璃（或其它透明物质）扩束的方法来显示光路；另一种是利用丁达尔效应来显示光路，比如在空气中喷入烟或水雾，在水中加入牛奶、豆浆或氢氧化铁等形成胶体.第一种方法是一种平面显示光路的方法，虽然操作比较方便，但现象不够直观，且受到光线扩束特点的制约（必须有平整的屏板来展示光路），适用范围也比较窄[1].第二种方法是一种立体呈现光路的方法，但缺点也是很明显的，要求密闭的容器给实验操作带来很大的麻烦，导致使用范围非常局限；另外水雾很不稳定，光路往往断断续续，而且光路不是很明显，需要在比较黑暗的环境中进行[2].

因此，设计一种可以稳定、立体和清晰地呈现光路的实验仪器是非常必要的.利用艾草烟来显示光路是一种健康环保的实验方法，形成的光路具有清晰、稳定持久的特点，可以广泛应用于光路的显示等光学实验.

1实验原理

烟雾控制器利用单片机控制风扇、舵机、电热丝和步进电机的工作状态，通过红外遥控实现对舵机加料（艾叶）、电热丝点燃艾叶、风扇排烟、步进电机运输灰烬和烟雾量等环节的控制.烟雾控制器产生的“艾烟”通过一根不易压折的弹簧软管输送到透明雾箱，利用丁达尔效应在雾箱内演示各种光学实验.

2主要实验材料

丝杠导轨一套（附滑台和42步进电机，行程12cm），39步进电机一只， 12V铅酸电池一只，单片机开发板一块（Arduino UNO），L298N电机驱动模块两个，5V继电器两只，SG90舵机一只，红外遥控器一只，8025HSL型风扇一只（DC12V），12V汽车点烟头一只，AZ-7121型限位开关2个，水斗金属过滤网一块，牙线盒一只.5mm和3mm厚的有机琉璃板若干，焊锡、接线柱和导线等.

3烟雾源的选择

3.1各种烟雾效果（光路的清晰度和稳定性）对比

丁达尔效应与颗粒的直径大小有关.光在胶体中传播时，如果其中的粒子直径远大于入射光波长，发生反射现象；如果粒子直径稍小于或接近入射光波长，会发生明显的丁达尔效应[3].另外演示光路还必须考虑烟雾的稳定性.比如用水雾来显示光路效果不好，因为水雾受重力作用容易下沉，光路断断续续、很不稳定，持续时间也最短；而且水雾颗粒相对较大，所以形成的丁达尔现象并不是很明显.因此选择合适的烟雾源是光路显示的关键.

首先对舞台烟饼、电子烟、艾草、蚊香、佛香、各种叶子、枝条和加湿器等多种器材产生的烟雾进行初步的对比实验.把各种烟雾分别通入一只透明的盒子，用激光照射观察光路.发现加湿器（超声波雾化）产生的水雾效果最差，电子烟、舞台烟饼和艾草的效果都很不错，表现为光路明亮清晰，但稳定性（维持时间）并不相同.

实验发现在前10分钟之内，三种烟雾的效果区别不大，很难区分好坏；15分钟时可以发现电子烟的效果相对较差；30分钟后发现艾草烟的效果略好于烟饼；1小时后电子烟雾中的光路几乎消失，艾草烟中的光路明显好于烟饼.综合健康和实验效果因素，艾草是相对较好的选择.

3.2各种艾草产品焦油含量对比

实验中发现艾草燃烧时会产生焦油，焦油附着在容器壁上会降低实验箱的透明度.

如图1所示，分别称取等质量（5克）干燥的艾粉、艾绒或艾柱（也称艾条）等艾草产品进行试验.先把它们在无风环境中点燃，在艾烟上方罩一只1000mL的烧杯，待艾草燃尽后用纸巾擦拭烧杯底部，发现艾绒燃烧产生的焦油量最多（纸巾最脏），原色艾柱产生的焦油量最少.所以建议用原色艾柱来做实验.

4烟雾控制器和实验箱的制作

4.1烟雾控制器的制作

制作烟雾控制器是为了便于产生和控制烟雾，特别适用于需要多次使用烟雾或者需要大量烟雾的实验.如图2～5所示，控制器的尺寸是21cm×18cm×27cm（长/宽/高），箱体用5mm厚的有机玻璃板制作，底板处有通气孔.控制器利用Arduino单片机来控制电热丝、电机等，控制电路位于箱体的底部，按图2（a）所示连接电路.箱体内部安装了丝杠导轨滑台、艾草筒、舵机、网兜、电热丝和烟灰水池等.电路全部采用红外遥控，遥控器按键设置如下：左键—42步进电机向左移动50步（每400步电机转动一周，下同）；右键—42步进电机向右移动60步；按键1—舵机带动挡板开合一次；按键2—电热丝通电/断电；按键3—排风扇启动/停止；按键4—42步进电机把网兜从图2（b）中的位置A移动到位置B，然后39步进电机带动网兜转动2周，最后42步进电机把网兜从位置B后重新移动到位置A，完成去灰烬（见图5）和网兜复位.

如图3所示，挡板每开合一次就会有少量的艾草落入网兜中，可以根据需要适当控制挡板的开合次数.因为烟雾过浓会影响对光路的观察，所以当实验中发现烟雾已经足够多，但艾草还在燃烧时，应该马上按下按键4，这样可以及时熄灭艾草、中断烟雾的供给.几下是两点建议和说明：

（1）在艾草筒下方靠近网兜的位置安装围栏，是为了防止艾柱落入网兜之外.制作围栏的材料需要耐高温，所以建议采用“聚四氟乙烯”材质的耐高温布料.

（2）电热丝的两根引线不能用电烙铁焊接，因为焊锡在高温下会熔化，所以建议用螺丝固定引线.

4.2实验箱的制作

如图6所示，实验箱用3mm厚的有机玻璃板制成，尺寸为60cm×35cm×30cm（长/宽/高），其中顶板是不固定的，这样方便在里面放置光学仪器.使用袖套是為了便于对实验箱内的仪器进行操作或更换器材.无需操作箱内器材时把袖套拧起来，烟雾就不会泄漏了.

5使用方法

准备工作：在图3所示的艾草筒里加入适量的碎艾柱，用弹簧软管连接控制器的排风口和实验箱的进气口，在实验箱中放入需要演示的光学仪器.接通控制器电源，按遥控器左、右键把网兜移动到电热丝的正上方.

烟雾控制：按几下（点按，下同）遥控器的按键1，直到网兜中落入适量的艾柱.按下按键2，电热丝对艾柱加热，当发现艾柱被局部点燃时，再按下按键2停止加热.按下按键3启动排风扇，当发现实验箱中的烟雾量比较合适，用激光笔照射可以看到清晰的光路时停止排风.按下按键4，系统会自动完成去灰烬和复位操作.

一般上新课的时候，单一实验的操作过程中不需要打开实验箱的顶板，光路可以保持1小时以上，无需中途补充烟雾.如果用于课外自主探究或光学实验复习课，由于需要频繁更换器材、打开顶板，光路肯定会逐渐变弱.当发现光路将要不清晰时，应该提前1分钟进行上一步的烟雾控制操作.

注意：由于艾草烟的颗粒直径非常小，艾草烟进入实验箱后不会出现明显的“雾朦朦”的现象，尤其是艾草烟在实验箱里静置2分钟以上时，实验箱看上去是完全通透的，所以需要用激光照射来判断艾草烟是否适量.

6实验效果

本仪器可以广泛应用于所有学段的光学实验教学.如图7所示，与其它方法相比，艾草烟在显示光路时具有安全、清晰和稳定性兼备的优点，在光的反射、折射、色散、偏振、干涉和衍射等各种几何光学和物理光学实验中光路的显示都取得了很好的实验效果.

7结束语

用艾草烟来显示光路是一个有特色的创新，它确保了实验的安全性，形成的光路具有清晰和稳定持久的优点；自制烟雾控制器可以遥控风扇、舵机、电热丝和步进电机的工作状态；带有袖套的光学实验箱使实验操作方便灵活，大大提高了实验效率和实验环境的整洁性，极具推广价值.

参考文献：

[1] 徐忠岳.激光光学演示仪的创新设计与应用[J].教学仪器与实验，2015，31（12）：41-45.

[2] 陈健波.呈现空间光路的光学演示仪 [P].ZL201020129710.1，中国专利： 2011.04.27.

[3] 朱玉忠，李忠元等.自制丁达尔效应模拟器[J].化学教与学，2018（1）：91.