可显光路的多功能光学演示仪的设计与开发

张健　卢靖宇　黄麟惠　廖辉　孟怡彤　卢子程

摘   要：光学是物理教学中的重难点，学生较难及时充分地理解较为抽象的光的传播，同时由于缺少教具辅助教学和教具现象不明显，容易造成学生认知的困难。文章介绍一种可显光路的立体化光学演示仪，利用本演示仪可以较为清晰、直观地演示多种光学实验。

关键词：光学演示仪；可显光路；立体化；中学实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）3-0048-4

光学是中学生学习的重点和难点。为保证学生充分理解相关光学概念，教师在进行授课时可根据学生实际学习特点进行引导，将理论知识用教具形象、生动地展现出来，从而加深学生对光学现象的理解，激起他们学习光学的热情，提高物理的整体教学水平。同时，物理是以实验为基础的学科。在物理教学过程中，实验是不可缺少的重要教学手段。特别是初高中物理光学的教学演示实验，许多物理概念、规律都是通过观察实验现象而进行抽象化，进一步概括、归纳出来的，所以一个现象明显的光学教具十分重要。常用的光学实验仪器由于存在光源亮度低、光束易发散、自然光源过强导致无法看清光学路径等缺陷，使得实验操作难度加大，学生看不到演示实验现象，无法对光路进行观察，难以自己动手调节，这些因素造成光学实验较难完成。

为了解决此类问题，我们通过简单材料制作出一套可显示立体光路的多功能光学实验仪。通过3D打印多孔光源支架，将多束激光汇聚增加光线可见度；通过电机高速转动，将不易调节角度的单一光线形成立体柱状光路；通过丁达尔效应，减弱自然光对光学实验的影响。仪器结构如图1所示。

1    实验装置设计

本装置利用电动机带动可调节多孔激光支架，使三束或以上的激光束高速旋转。利用超声波加湿器作为雾化装置，超声波加湿器采用1.7 MHz的高頻振荡，通过雾化片的高频谐振，将水击碎成微小颗粒抛离水面而产生自然飘逸的水雾，实验中的水雾直径为1 μm～10 μm。由于丁达尔效应，当可见光（本实验演示仪采用波长为532 nm的绿激光）透过胶体时会产生明显的散射作用，这个胶体的分散剂是空气，分散质是微小的液滴。利用这种散射现象，在光经过的路径上便可以看到一条明亮的光通路，这条光通路即为光学上所说的光路。同时，由于人眼存在视觉停留，从而形成立体空心光柱。所形成的空心光柱可以很好地避免只用一束光线导致现象不明显，用以完成凹、凸面镜（透镜）演示实验，同时增加了实验的趣味性。停止电机转动，打开一只激光束，又可以完成光的折射、偏振、衍射等实验。

2    实验内容

2.1    凸透镜焦距测量实验

调节光屏高度，使光屏上同心圆的圆心位于主光轴位置，将一束平行光沿着主光轴方向射到凸透镜上，在光屏上得到的折射光线相交于一点，即焦点，测出此点到凸透镜光心的距离，即为焦距。在进行凸透镜实验时，通过调节光屏，测得实验用的凸透镜的焦距为10.0 cm，实验现象如图2所示。

2.2    凹透镜焦距测量实验

实验原理如图3所示。其中，用两束激光模拟位于P点的实物，两束入射光线经凹透镜折射后在光屏上形成光点的间距为d1，未经凹透镜时在光屏上形成光点的间距为d2，光线在透镜平面上形成光点的间距为d3，光屏与透镜之间的距离为L。

根据几何学中相似三角形原理可得

故只需测得d1，d3以及光屏与透镜之间的距离L即可。实验数据如表1所示。

将表1数据代入（4）式可得凹透镜的焦距为10.0 cm，实验现象如图4所示。

2.3    凸面镜反射演示实验

在凸面镜反射实验中，中学阶段无法有效测量凸面镜的焦距，只能作为演示实验进行演示。

实验现象如图5所示。

2.4    凹面镜反射演示实验

凹面镜实验中，利用光屏显示光点时，因为光屏会将入射光遮住，无法完成实验，因此，我们在测量凹面镜的焦距时，巧妙地利用小光屏，将光的焦点投射到小光屏上，得出凹面镜的焦距为8.0 cm。实验现象如图6所示。

2.5    光的折射实验

光的折射是指光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折的现象。本实验我们利用45°直角棱镜以及等边棱镜进行实验演示。

（1）利用45°直角棱镜进行光的折射实验，实验中测得光相对于原来的方向偏折25°，实验现象如图7所示。

（2）利用等边棱镜进行光的折射实验，实验中测得光相对于原来的方向偏折41°，实验现象如图8所示。

2.6    光栅衍射实验

本演示仪使用的光源为单色激光，因而实验的现象为对称分布的光点。实验数据如表2所示，实验现象如图9、图10所示。

3    结  论

实验结果表明，本演示仪可以很好地演示凸透镜实验、凹透镜实验、凸面镜实验、凹面镜实验、光的偏折实验、光的偏振实验、光栅衍射实验，并且实验效果明显，特点突出，能够激发学生学习光学的热情。一套好的教学仪器对于教学往往起到事半功倍的作用，特别是对于光学的教学，以往的光学教具既难以调节，又很难达到预期效果，且光路的中间过程看不见、摸不着，造成学生的理解困难。本演示仪易于操作、原理清晰、可视性强，适合在中学、大学实验室中广泛使用，也适合经进一步开发并改进后在科普场所展示。

参考文献：

［1］魏学锐，刘旭威，何京妮，等. 多功能光学演示仪在物理教学中的应用［J］.物理通报，2017（3）：96-98.

［2］黄军.中学物理自制教具的改进及其实践案例研究［D］.南充：西华师范大学，2016.

［3］王永利，张立然.几何光学实验的改进——全国第五届自制教具评选获奖作品之六［J］.物理通报，2001（6）：35-36.

［4］李卓君.简易光学演示仪的制作及演示［J］.中小学实验与装备，2015，25（6）：31-34.

［5］刘洪森.可视光路演示箱的构造与使用［J］.中国教育技术装备，2004（8）：22-23.

［6］徐永芝.中学光学演示仪［J］.湖南中学物理，2012，27（3）：43-44.

［7］金恩培，周素琼，张立彬，等.传统几何光学教学实验装置的改进［J］.物理实验，2003，23（12）：38-39.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2022-12-13

基金项目：重庆市中小学创新人才培养项目计划研究项目“可显三维光路的多功能光学实验仪的设计与开发”（CY220222）；教育部产学合作协同育人项目“趣味物理演示实验仪器的设计及其在物理教学中的应用”（220600532135753）；西南大学实验技术研究重点项目“一种新型微小位移测量装置的设计与开发”（SYJ2022009）。

作者简介：张健（1970-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学研究。