自制水位报警装置与光的折射定律

马丽 徐晓梅 陈伟 李月梅

[摘 要]光的折射定律是初中光学的重要知识，人教版教材以学生溺水这一问题为情境引出光的折射定律。受此启发，设计并制作了一个水位报警装置，使折射现象、折射规律可视化;另外，运用光的折射定律能很好地解释教材中提出的“岸上看水塘中的水，会觉得水浅”的问题，警示学生在水塘边要注意安全。

[关键词]自制水位报警装置;光的折射定律;生活物理

[中图分类号]    G633.6        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）26-0055-02

光的折射定律是初中光学的重要知识，也是后面学习凸透镜成像和眼睛等知识的基础。在人教版八年级上册物理教材中，以“清澈见底、看起来不过齐腰深的池水，实际上，却因看到的深度与池水实际深度不一致而引发溺水问题”为情境，引入折射定律的学习。这对刚接触物理的初中生来说，该导入环节相对抽象，不易于理解。为此，制作水位报警装置作为该现象的演示教具，引导学生认识并理解光的折射定律，并借此辅以游泳安全警示教育。

一、装置原理与制作

（一）装置原理

根据光的折射定律，有效利用水槽、报警系统、Arduino UNO控制串口屏、激光发射器等器材，设计制作水位报警装置，用此装置演示光从一种介质进入另一种介质的现象。在水槽未加水时，调整激光束，使其照射在接收器A上，屏幕显示“安全水位”。当水槽加水到一定深度后，激光束照射在接收器B上，串口屏显示“水深危险”，同时报警系统发出蜂鸣声。

（二）装置制作

1.所需器材

玻璃水槽一个（35 cm×10 cm×20 cm），1.0 mmPVC玻璃板一块（35 cm×10 cm），四根6 cm长的金属铜柱，报警电路装置一套[5 V无源蜂鸣器一个、100 Ω限流电阻一个、激光接收器两个（红绿蓝红外光激光接收器：400 nm ∽ 1100 nm）]，Arduino UNO R3开发板一块，液晶串口屏一个（5 英寸 5 V），激光发射器一支（lase-303@sy），导线若干，数据线两根，手机支架两个等。

2. 报警装置的制作

（1）在长方形透明玻璃水槽的底部分别焊接4根铜柱做脚架。

（2）距水槽底部5 cm处将透明PVC玻璃板与水槽脚架粘接，玻璃板上放置激光接收器、Arduino UNO、报警电路装置。

（3）调整并固定激光发射器位置，当水槽未注水时，激光束照射到水槽底部的光点，设为光在空气中传播的接收点A。当水加到预设深度时，激光束照射到水槽底部的光点设为接收点B，并将此时的水位定为“水深危险”的报警水位。

（4）将接收器分别放在接收点A、B的位置，用金属薄片固定在玻璃板上。为了让演示实验操作简便（不受光波段位影响），选择400 nm ∽ 1100 nm激光接收器。

（5）液晶串口屏制作

①首先要在电脑上制作三张用于屏幕显示的字幕图片，分别是开机页面（默认为全屏黑色）、“安全水位”绿色字幕、“水深危险”红色字幕。

②利用与液晶屏幕配套的VGUS串口屏开发工具，将已经制作好的三张图片通过下载器按顺序下载到串口屏中，编号依次设置为0000H、0001H、0002H。

（6）硬件电路设计

在激光接收器旁安装Arduino UNO开发板作为整个报警系统的MCU（微控制器），它是整个装置的核心部分，负责处理水位信号、控制串口屏显示并触发报警电路。当激光照射到接收器上的A受光圆孔时，内部的继电器从常闭端口打到常开端口，同时指示灯熄灭。当激光照射到接收受的B受光圆孔时，这时Arduino UNO开发板上的引脚就能采集到激光接收器的到位信号，从而触发报警电路，让蜂鸣器报警，并且控制串口屏显示不同的字幕信息。整个硬件电路的设计原理如图1所示。

（7）对 Arduino UNO软件程序源码编程，设计装置的水位报警程序。

（三）装置制作影响因素分析

由于激光接收器不具防水性能，无法安装在水槽内底。若将激光接收器A、B安装在水槽外，需考虑光经过水槽底部玻璃的几何距离和玻璃到空气折射偏向角的大小。

鉴于激光接收器上的受光圆孔有一定大小，调整激光发射器位置，将激光束入射角固定在46°～55°范围内。测得水的折射率为1.33，玻璃的折射率为1.51，可据斯涅耳定理计算折射偏向角[θ]（折射偏向角为入射光线的延长线与折射光线夹角的绝对值：[θ=i'-γ]）和光在玻璃中的几何距离[L]（[L=d/cos i']），计算出折射偏向角[θ]的范围：注水前为17.7°～22.4°，注水后也为17.7°～22.4°;光在玻璃中几何距离L的范围：注水前为0.93 cm～1.06 cm，注水后为0.57 cm～0.59 cm。（图2、3所示为入射角[α=50°]时注水前后的光路图和演示效果图）

综上所述，激光接收器安装在水槽外部对报警装置注水前后的演示效果影响非常小，可以忽略不计。

二、水位报警器装置功能与教学演示

（一）装置功能

当水槽里没有水时，激光发射器发出的激光束直射到激光接收器A上，Arduino控制串口屏显示“安全水位”;而注水后，随着水位的升高，光路发生偏折，激光束的照射点将逐渐朝激光接收器B的方向移动，当激光照射点恰好落在接收器B上时，水位达到预设警戒位置，此时Arduino便触发报警电路，驱动蜂鸣器报警，控制液晶串口屏显示“水深危险”。

（二）教学演示

教师可借助投影仪，让学生分别从水槽正前方和侧上方观察注水前、后及注水过程的光路变化情况。

当水槽中的水加到警戒位置时，人从水槽侧上方观察，看到“池水”很浅，但水位报警器已经发出蜂鸣声，且屏幕显示“水深危险”，转向正前方观察时，就可以看到水位已经达到警戒线，射入水中的激光束光路出现明显的偏折，池底（P点）反射的光线经过水到空气后进入人眼，我们以为光线是直线进入人眼，即误认为池底在P´点处，因此认为水位较浅，如图4所示，但实际水深却远比“看到”的水深要深得多，犹如人站在“岸上”，单凭肉眼很难分清池水的深浅，看起来很浅的水，却很容易发生溺水事故。利用此教具解释“潭清疑水浅”的生活现象，可帮助学生认识并理解折射定律。

（三）教具优点

该报警装置制作材料易于获取，安装与操作比较方便，演示折射现象明显直观，容易吸引学生的注意力。装置不仅可以用于光的直线传播的复习、光的折射新课导入、光的折射定律演示和探究，还可对学生辅以安全教育。

三、结语

光的折射实验教具有很多不同的制作方式，在课堂教学中，需考虑学生的认知程度和生活背景。因此教师应当多研究教材内容，发掘与学生生活相关的物理知识和问题，这样才能设计出既能将物理规律解释得清楚明白，又能够引起学生兴趣的教具，从而辅助教学工作。

[   參   考   文   献   ]

[1]  人民教育出版社，课程教材研究所.义务教育教科书物理八年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：81-84.

[2]  董霞.“鱼在哪里”中学物理教学中的折射解析[J].物理教师，2013（11）：59-60+62.

（责任编辑 易志毅）