多功能可控一体化光学教学仪器的制作及演示

金庆辰 张婷婷 姜蓥 吴佳芮 朱鹏飞

摘   要：文章介绍一种自制的一体化光学仪器。该仪器能够将多种光学实验集中一体展现出来，从中还能进行比对和测量，方便教师教学和学生观察学习;同时一体化的结构也方便携带运输和收纳。该仪器的设计以光学实验本质，即光源—介质—现象为主体的理念作为基础来探究光学实验原理的不变性，以一体化的思想为基本制作方向来解决实际光学实验演示的复杂和繁琐问题。

关键词：光学仪器;一体化;中学物理实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）10-0045-3

目前中学物理光学实验仪器较为冗杂，给教师的实验演示操作带来麻烦。制作本光学教学仪器的目的在于简化教师的操作过程，更直观、简单地完成课堂上各种光学实验现象的演示。本文介绍了自制光学教学仪器的过程，阐述了该仪器的使用方法。

1    教学仪器装置

本光学仪器由滑道、光具座、光具盘、光学器件、透明外壳五部分组成（如图1）。

1.1    框体制作

1.1.1    滑道

滑道由不锈钢材料制成。滑道外形为空心三棱柱，底边宽40 mm，滑道长1200 mm，足够长的滑道以保证各种光学实验得以顺利进行（如图2）。

1.1.2    光具座

光具座采用底边为160 mm、两斜边为196 mm的不锈钢等腰三角形作为支撑，两底角利用焊接技术连接与滑道相吻合的底座（如图2）。

1.1.3    透明外壳

长1200 mm，宽250 mm，高350 mm，采用有机玻璃材料，具有美观、便携、坚固、易观察等优点。

1.2    光源盘、光具盘制作

采用白色硬塑材料，实现美观与实用的双重结合。圆盘配有8孔，用于搭载光学元件。

1.3    组装与调试

框架与滑道：在有机玻璃框架底面直接镶嵌四角以固定轨道并保持其平稳。将三脚架放置在轨道上，逐次在两圆盘上分别安装光源及光学元件，确保光线通过光学元件中心在光屏中心成像。

光具盘：单缝用黑色绝缘胶带粘至2孔;两个大小适合的凸透镜用双面胶直接固定在孔处;直径较小的凸透镜和凹透镜利用泡沫固定安放在4、7孔;三棱镜由于形状特殊故利用泡沫及双面胶粘连在6孔;偏振片由于需要调试角度故将其大小做成与圆盘相同放置旋转轴上，为了突出角度变化在偏振片外围粘贴刻度。

光源盘：激光笔用热熔胶棒粘连，在粘贴过程中确保激光光线透过单缝形成衍射现象，平行光源在外围缠有胶带以固定在5、9孔，发散光源经改进后用双面胶粘连至4、8孔。调试过程中，激光笔对准单缝，通过调节激光笔可以在光屏上承接到衍射图像，旋转光具盘使发散光对准两焦距不同的凸透镜，通过调整光屏及光具盘的位置可以观察到实验预期现象;旋转光源和光具盘，使平行光源对准凸透境、凹透镜，通过调整光屏及光具盘的位置可以观察到实验预期现象;手持激光笔照射三棱镜，调整角度在光屏上可呈现七彩条纹;将两偏振片安装，通过旋转其中一片以得出明暗变化与角度的关系。

2    教学仪器工作方法

2.1    凸透镜成像规律演示

将光具盘置于凸-凹透镜档，光源盘置于发散光档，打开光源，通过移动光屏和透镜的位置，改变物距、像距，使物距u分别处于f2f，成像清晰后，记录现象，总结凸透镜的成

2.2    凸透镜焦距测量

2.2.1    平行光汇聚粗测凸透镜焦距

将光具盘置于凸-凸透镜档，光源盘置于平行光档，打开光源，移动透镜位置，直至光屏上呈现小亮斑，测量光屏到透镜的距离，即为凸透镜焦距。

2.2.2    通过成像公式精测凸透镜焦距

将光具盘置于凸-凸透镜档，光源盘置于发散光档，打开光源，移动透镜位置，成像清晰后，记录光源盘、光具盘、光屏的位置，通过公式f=1/（1/u+1/v）计算焦距，进行多组实验测量后取平均值（表2）。本教学仪器设置两个透镜，建议教师将一个透镜用于演示，一个透镜用于学生练习，巩固知识。

2.3    光的色散演示

将光具盘置于衍射-色散档，用备品盒中的白光笔照射三棱镜，在特定角度下照射，可以看见白光色散为七种颜色。建议教师让学生参与其中，并感受色散与最小偏向角之间的关系，明确白光需要一定角度才能在三棱镜中发生色散。

2.4    单缝衍射条纹与缝宽关系的演示

将光具盘置于衍射-色散档，光源盘置于激光档。打开光源，可以看见衍射条纹，中央条纹最亮，同时也最宽。除了中央亮条纹外，屏上光强分布还有次级亮条纹存在。调节缝宽，可以验证单缝衍射与缝宽的关系：缝宽越大，光强度（光的能量）越集中于中央条纹，所形成的图线中央条纹窄而高;随着缝宽进一步加大，衍射图线的中央条纹将被压缩成一条亮线，基本观察不到衍射波形（图7）。

2.5    自然光偏振特点演示

使光具盘转到偏振档，将备品盒中的两块偏振片安装到光具盘上，光源盘调到平行光档，打开光源，转动偏振片1并注意光具盘上二者夹角的度数刻度，可以观察到0°～90°、180°～270°光强逐渐减弱，90°～180°、270°～360°光强逐渐增强;当夹角为90°、270°时完全消光，当夹角为0°、180°时完全不消光。

3    结束语

多功能可控一体化光学教学仪器适用于现阶段的中学物理教学，在演示实验中现象直观，操作简单，所演示实验种类全面，知识覆盖广，使学生对光学有更直观、更清晰的认识和更深刻的理解。同时，本教具以光学实验本质为出发点，将光源可变、介质可变、现象随之而变，唯一不变的是作为核心的光学原理本身的理念贯穿其中，通过水车式的设计控制变量，激发学生思考，让学生在实验中体会到光学实验真正研究的在变中求不变的意义。

参考文献：

[1]姚启钧. 光学教程（第五版）[M].北京：高等教育出版社， 2014.

[2]廖伯琴，张大昌.物理课程标准解读（实验稿）[M].武汉：湖北教育出版社，2002：6.

[3]赵凯华.光学 新概念物理教程[M].北京：高等教育出版社， 2011.

（栏目编辑    王柏廬）