光影探究箱

研究目的

小学《科学》中“光的传播”单元探究知识点众多，课本配套的实验器材存在一些不足。比如，光学影像实验器材多而散，需要的存储空间大，安装操作费时费力；实验时，需要拉上遮光窗帘，在比较黑暗的环境中，才能看到实验光线传播路径及成像等。本项目研究制作一套小学《科学》光学影像实验用器材，尝试弥补原有器材的不足。

研究过程

设计解决项目

本项目设计了1个底面直径6cm、高20cm，带有瓶底和瓶盖的亚克力圆筒瓶，叫作丁达尔效应瓶。点燃熏香充入烟雾10秒后盖上瓶盖，可在3小时内保持烟雾不散，即使取下瓶盖多次更换瓶口组件，也不用二次充烟。瓶内放入平面镜，在强光下可利用丁达尔效应清晰地观察到光线的传播路径。以住需要调整照射角度才能观察到的一些实验现象，可通过翻转瓶身轻松实现，操作便捷、成本低，坚固耐用、效率高（如图1）。

为了解决“小孔成像”和“凸透镜成像”成像不清晰、像的左右是否相反不易分辨等问题，本项目设计了放映箱和背投成像屏。放映箱为长40cm、宽12cm、高20cm的长方体，两端敞开，一端放置“F”型光源，另一端放置成像屏。箱体中间开槽用于插入光板，插入带有小孔的光板可做小孔成像实验，插入中间安装有凸透镜的光板可做凸透镜成像实验。放映箱的内部被涂成黑色，用于吸收光线，防止箱体内部光线反射影响成像清晰度。箱体内部底面贴有刻度尺，中间为0刻度，向两端依次为1，2，3……20cm，用于做平面镜成像实验时读取距离数据（如图2）。

利用抗光灰全息投影膜制作背投成像屏，与利用光具座实验时观察像的角度不同，这个成像屏是从背面观察，可以从放映箱屏幕一端观察光源的形状，也可从同一位置看到像的形状，便于对比分辨物和像的异同（如图3）。

为了解决无法查看模型内部结构的问题，本项目设计了万花筒、望远镜等8个实物模型，均能拆卸看到内部材料和结构特点，便于学生理解（如图4）。

实验装置功能拓展

利用丁达尔效应瓶和放映箱还能开展哪些实验呢？经过研究发现，可以将二者的功能进行拓展，实现一物多用，本项目将与之相关的同类实验设计出来，并将所需的实验组件制作出来，配套使用。对丁达尔效应瓶进行集成化改造，用浅黄色亚克力塑料块作为光的折射介质，用激光笔从侧面照射可以演示光的折射，在制作过程中偶然发现因为照射角度的不同，从顶端照射不能形成折射现象，却可以形成全反射现象。加上镜面反射、漫反射等材料，就可以在该瓶中看到清晰的实验现象。放映箱则可通过增加光板，用不同大小和形状的孔探究孔的大小、形状对成像的影响，探究成像屏与光源距离远近对成像的影响；还可通过改变光源和光板上的图案，演示手影和皮影戏的工作原理等（如图5）。如此一来，放映箱就变成了多功能放映箱。

制作过程

●制作80cm×50cm×20cm的长方体大箱体，用于存放所有组件，并在箱盖内面粘贴4开的白纸作为屏幕。

●制作40cm×20cm×12cm的长方体放映箱，20cm×12cm的面没有木板，用于安装成像屏和光源，40cm×12cm的上盖面中间位置开槽，用于插装光板、凸透镜、半透镜等。

●制作8块23.5cm×13cm×0.5cm的黑色亚克力光板，中间分别有直径0.5cm、0.8cm、1cm、3cm的圆孔和直径0.5cm的三角形小孔和五角星形小孔，以及直径1cm的五角星形大孔，还有一块中间是边长2cm的等边三角形孔及1个向上的高2cm的黑色箭头。

●制作1块23.5cm×13cm×0.5cm的木板，中间挖出直径5cm的圆孔，用胶枪固定安装直径5cm的凸透镜，制成凸透镜光板。

●制作1块23.5cm×13cm×0.5cm的半透镜；制作1块23.5cm×13cm×0.5cm的彩色亚克力图像，用于演示投影仪工作原理；制作1块23.5cm×13cm×0.5cm的彩色海底世界图像，中间安装1片抽拉条，抽拉条上是一群鱼的画面，用于演示动画片的工作原理；制作1块23.5cm×13cm×0.5cm的透明亚克力块，粘贴1个向上的蓝色箭头，1个向左的黑色箭头在蓝色箭头下面，用于演示透明圆柱成像。

●磨制1块20cm×1.5cm×1.5cm的长方体透明黄色亚克力块，用于演示折射和全反射；1块20cm×1.5cm×1.5cm的长方体木板，木板一侧安装20cm×1.5cm的平面镜，用于演示镜面反射；平面镜上粘贴5cm×2.5cm的纸片，上面画有角度相同的入射光线和反射光线，用于演示光线传播的可逆性；另一侧安装有20cm×1.5cm凹凸不平的镜面，用于演示漫反射。

●制作直径5.5cm、高度5cm的安装件4个，中间有直径4.9cm的圆孔，在安装件的中间用胶枪分别固定凸透镜、凹透镜、凸面镜、凹面镜。

●制作厚度0.5cm、直径6cm、长20cm的亚克力透明圆筒2只，直径5.9cm的透明亚克力底盖4个，底盖能够更换为凸透镜等镜片，制成丁达尔效应瓶。

●制作1个18cm×11cm×0.5cm的长方体背投成像屏，屏幕采用抗光灰全息投影膜。制作1个18cm×11cm×1.5cm的长方体灯盒，18cm×11cm面安装1块同样大小的平面镜，将12伏灯带粘贴在其内部四周，接上电源线和插头，制成深渊镜模型；制作1个L型光源。

●制作1个太阳灶模型；磨制20cm×3cm×1.5cm黄色透明玻璃1块，一面粘贴白纸，上面画1条垂直于另一边的垂线，被垂直的一面用7000目的砂纸和抛光膏磨制成镜面。

●制作厚0.5cm、直径6cm、长30cm和20cm的黑色亚克力圆筒各1只，配备4个厚0.5cm、直径5.5cm的黑色亚克力圆片，其中2个圆片中间有直径4.9cm的圆孔，另外2个圆片中间有直径2.9cm的圆孔。在20cm长的圆筒两端，分别安装1片直径为5cm凸透镜和1片直径为3cm的凹透镜，制成伽利略望远镜模型；在30cm长的圆筒两端，分别安装1片直径5cm的凸透镜和1片直径3cm的凸透镜，制成开普勒望远镜模型。

●制作厚度0.5cm、直径4cm、长20cm的亚克力透明圆筒1只，一端安装粘贴1个直径4cm、高度2cm的圆柱形亚克力盒，里面放入几片彩色塑料；裁剪3片20cm×3cm的长方形平面镜片，组成1个截面为等边三角形的空心三棱柱；裁剪1片厚度0.5cm、直径3.9cm的黑色圆片，中间开1个直径2cm的小孔，制成万花筒模型。

●制作1只截面为正方形、边长5cm、长25cm的透明亚克力方管，两端斜切45°面，2块与切面同样大小的平面镜相对安装于两端；在方管长方形两面端相对位置各切出1个边长4cm的正方形，作为潜望镜的光线入口和出口，并切割2块3.9cm的正方形透明亚克力片，用于封闭切口；在方管平行四边形的一面与长边平行粘贴1条1.5cm宽的胶带，在垂直于光线入口和出口的位置粘贴1.5cm宽的胶带，与长边平行的胶带垂直相交，随后将方管和胶带上都喷上黑色油漆，晾干后将胶带去掉，即制成垂直的“Z”型半透明新潜望镜模型，充入烟雾后用激光笔照射，就可以看到景物通过潜望镜传入观察者眼睛里的光线传播路径。

●切割光导纤维1m，在一端安装12伏LED灯珠；制作1个U型PE管，直径2.5cm，长10cm，2个垂直拐角长均为2cm，制成光导纤维模型。

●购买透明玻璃圆柱、透明玻璃球、三棱镜各1块；F型光源1个、激光笔2只、四色光手电3只、彩色遮光板5块、红白两色电子蜡烛各1只、12伏锂电池1块、打火机1个、熏香1支、直尺1把。

制作完成，整合装箱

经过3个月的调试与改进，本套设备全部制作完成，由60余个组件构成。

●自制大箱体1个，箱盖内侧安装有4开纸大小的投影屏幕，所有组件均装于其中，实验准备便捷高效（如图6）。

●自制多功能放映箱1个，配套有14块光板、镜片，抗光灰全息投影膜制成的背投成像屏。

●自制丁达尔效应瓶2个，带有上下底盖。

●自制集成的反射、折射、镜面反射、漫反射、全反射、光线传播可逆性演示装置1套，镶嵌在亚克力瓶底盖上，便于打开瓶盖往瓶内充入烟雾（如图7）。

●自制半透型丁达尔效应潜望镜、胶片电影机、开普勒望远镜、伽利略望远镜、万花筒、光导纤维、深渊镜模型及组件。

●自制凸透镜安装件4片、凹透镜安装件2片、凸面镜安装件1片、凹面镜安装件1片。

●透明玻璃圆柱、透明玻璃球、三棱镜各1片；F型光源1个、激光笔2只、四色光手电3只、彩色遮光板5块；红白两色电子蜡烛各1只；12伏锂电池1块、打火机1个、熏香1支、直尺1把。

使用方法

●将大箱体放置在水平桌面上，打开箱盖作为电影机和色光分解与混合的放映屏幕。

●将放映箱一端放置成像屏面向学生，另一端安装光源。将14块带有不同孔径的小孔板、彩色板、动画板、凸透镜等光板依次插入放映箱中间的卡槽，探究小孔成像与小孔大小、形状、距离远近对像的大小、形状、清晰度的影响，探究手影和皮影戏的工作原理，探究凸透镜成像，演示投影仪的工作原理，探究透明圆柱和圆球的成像特点，演示平面镜成像的特点。

●向2个丁达尔效应瓶和潜望镜内注入烟雾，依次安装折射、反射、全反射安装件、凸透镜、凹透镜、凸面镜、凹面镜安装件，配合光导纤维、望远镜模型、深渊镜模型、万花筒模型即可演示折射、反射、镜面反射、漫反射、全反射、光线传播的可逆性；演示光导纤维、潜望镜的工作原理；演示凸透镜和凹面镜对平行光线的汇聚作用、凹透镜和凸面镜对平行光线的发散作用；探究开普勒望远镜和伽利略望远镜的构造及成像特点；探究半透镜、深渊镜、万花筒的构造特点及成像原理。

●将电影机模型、三棱镜、彩色遮光板、四色光手电对着箱盖大屏幕，即可演示胶片电影机的工作原理，演示三棱镜把白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光，演示色光板对白光的过滤作用，演示光的三原色混合产生新的色光的过程。