环保型立体激光几何光学演示仪

解忠良

项目摘要

环保型立体激光几何光学演示仪使用多束立体平行绿色激光作为光源，以水雾作为显示激光束的参照背景，与传统的使用平面平行红色激光作光源、利用烟雾当作显示激光束参照背景相比，不仅能够从多个角度演示几何光学实验，而且更为绿色环保无污染。同时，绿色激光模组与水雾二者结合起来使用，光路显示效果更为清晰明显，显示时间更快、教学效率更高。环保型立体激光几何光学演示仪不仅能够完成初中几何光学的全部实验演示，而且能够演示高中的全反射实验，因此适用于进行小学科学和初高中物理的几何光学演示实验，也适用于学生进行几何光学的实验探究。

项目研究过程

研究背景

在进行几何光学演示实验和分组实验中，传统的教学仪器是使用平面平行红色激光作为光源，使用烟雾（蚊香或者香烟点燃后的烟雾）作为显示激光束的参照背景，为收集烟雾，还要制作一个暗箱。该类装置烟雾生成慢、不宜捕捉且容易污染环境；红色激光束在烟雾暗箱中显示出的光路也比较暗淡，不够清晰。因此，我产生了以立体多束平行绿色激光模组代替红色激光作为光源、以水雾代替烟雾作为显示光路的参照环境的想法，在制作教具前的测试中效果极佳。

制作组装

教学仪器演示箱用有机玻璃加工制作而成，长550mm，宽110mm，高280mm，下有底座，上无盖。

用直径50mm，高280mm有机玻璃管制作成雾化箱，雾化器放入雾化箱内，上有盖，盖上加风扇，雾化箱中间开孔，小孔连接管道输入到演示箱体内，雾化后的水汽经由此管道吹入演示箱内。

制作由1束绿色激光组成的立体平行光源。

制作多束绿色激光光源。

铁质光具盘放入演示箱体内。

制作底座，把电子线路及开关等配件集成在底座内。

演示仪的改进

演示仪经过了四代的改进。第一代作品，使用玻璃制作演示箱体，见图1；第二代作品，使用有机玻璃制作演示箱体，演示箱内左侧为雾化器设备，箱体内有光具盘；第三代产品在第二代的基础上进行改进，加装独立的雾化设备；第四代产品使用了多束立体平行激光光源，激光光源的电子线路集成在底座内，见图2。第四代作品能够演示更多的实验。

实验演示

使用第四代产品不仅可以演示初中物理几何光学的全部实验，还可以演示高中全反射实验，见图3。此外，使用专用的激光配件，还可以演示光在不均匀的同种介质中的传播和立体光束通过透明圆柱体的折射现象，见图4。

项目应用的科学方法及科学原理

雾是由空气中的水汽凝结成的小水滴形成的，当激光照射在这些小水滴上面的时候，就会显示出明显的光束，这是由光的漫反射造成的。本教学仪器就是利用光的漫反射原理，以水雾作为显示光束的参照背景，显示出绿激光模组的激光束，配以光具盘和光学透镜，完成光学实验的演示。

项目创新点或改进点

环保型立体激光几何光学演示仪与传统光学教学仪器相比，以立体多束平行激光作光源，代替平面平行光源，能够演示更多的光学实驗；以水雾代替烟雾作为显示光路的参照背景，具有绿色环保无污染、易捕捉等优势，以及操作简单、等待时间短、持续时间长、演示效果清晰等优点。使用绿色激光器作为光源，比传统的红色激光器演示效果更佳。

项目使用情况及进一步完善的设想

环保型激光几何光学演示仪不仅能够演示初中几何光学的全部实验，而且能够演示高中的全反射实验，在学校课堂教学中得到了学校教师的高度评价，并对使用该教学仪器与使用传统的教学仪器的实验教学进行了对比，使用该教学仪器的学生对知识点的掌握达到了100%。教师在应用中也提出了改进建议，希望该仪器应向集成度更高、操作更简便的方向改进。因此，在进一步的完善中，计划使用3D打印技术制作出更便于使用的配件，并且增加自动化功能，使用单片机控制，使整套教学仪器集成度更高，操作更为简单易行。

专家评语

该项目制作了环保型立体激光演示仪，使用多束立体平行绿色激光作为光源，以水雾作参照背景，能够演示多个几何光学实验。该项目原理科学，概念清晰，构思巧妙，设计合理，作品教育性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。项目资料齐全，研究报告书写规范。希望该项目在教学设计方面作出改进和提升。