教具“多功能水箱”

田艷 郭長江

摘??? 要： 本文展示了一個自制的實驗教學儀器“多功能水箱”，它可以有效演示光的全反射、特體內部壓強的規律和虹吸等實驗現象，達到了一個教具，多功能展示的效果，可以有效拓展學生思維，強化實驗教學效果。

關鍵詞： 全反射??? 多功能??? 水箱

在現實生活中，光的全反射現象及其原理已被廣泛應用，如光導纖維內窺鏡、光纖傳感器及光纖通信等。光纖是一種由玻璃或塑料制成的纖維，由兩層折射率不同的材料組成，一般內芯玻璃的折射率比外芯大，當光線射到內芯和外芯界面的角度大于產生全反射的臨界角時，光線透不過界面，全部反射，這就是光纖傳輸原理——光的全反射。

一

為了更好地在高中物理課堂上演示光的全反射實驗，我們自行設計、制作了一個實驗裝置，即“導光水柱”，實驗裝置如圖一所示。該裝置的實驗目的是使學生通過該演示實驗了解彎曲水柱的導光現象，理解光在光密與光疏介質界面的全反射的工作原理。

圖一??? 導光水柱的實驗實物圖

該實驗裝置的實驗原理是光由光密介質（即光在此介質中的折射率大）射到光疏介質（即光在此介質中的折射率小）的界面時，當光線入射角大于臨界角時，光線透不過界面，全部反射。其中光有光密介質進入光疏介質時，入射角一般比折射角小，當入射角增加到一定值時，折射光線沿介質表面進行，即折射角為90°，則該入射角稱為臨界角。

我們利用導光水柱演示光的全反射的原理，在大水槽和小水槽底部都放入適量的水，大水槽的水要淹沒潛水泵10cm左右，這樣不容易損壞潛水泵，將激光筆對準小水槽出水孔的側面，打開激光筆電源，調節激光筆角度，使出光方向正對出水孔，可以看到紅色激光是沿直線傳播的。打開潛水泵電源，為小水槽上水，至加滿水槽，有多余的水從出水孔流出，我們可以發現紅色激光彎曲了，用一個白色紙板接住流出的水會發現有紅色激光，激光隨水流彎曲了，這就是導光水柱的實驗現象。如圖二所示，一束激光從小水槽側面穿過出水孔，光路不再沿水平方向射出，而是隨著水流的方向射出。

圖二??? 導光水柱全反射的光路

本教具用于高中物理課堂演示，結合光的全反射知識，首先可以作為光的全反射這一節新課的導入，讓學生觀看到神奇的實驗演示效果，設置疑問，激發學生學習興趣，進而展開全反射的實驗教學，并在新課結束之后讓學生畫出光的傳播路線，首尾呼應，還可以檢驗本節課的實驗效果。其次可以作為講解光導纖維的課堂引申和實驗探究活動，在新課結束之后，教師向學生展示，啟發學生思考該裝置的實驗原理，并畫出光路圖進行分析。

二

我們設計的教具不僅可以演示光的全反射，還可以演示其他物理概念，只需要對實驗器材改造一下即可，見下列四種實驗設計。

1.高中物理：平拋運動

利用小水槽出水孔噴出水的軌跡作為解釋平拋運動現象。

2.初中物理：探究液體內部壓強的特點

在小水槽上多打了高度不同的兩個孔，可以演示探究液體內部壓強與深度（或種類）之間的關系的實驗。如圖三所示，液體的深度越深，液體內部的壓強越大，液體射程越遠;在同一深度處，液體的密度越大，液體內部的壓強越大，射程越遠。

圖三??? 探究液體內部壓強的特點的原理圖與實物圖

3.初中物理：虹吸現象

虹吸現象是液態分子間引力與勢能差造成的，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于管口水面承受不同的大氣壓力，水會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直到兩邊的大氣壓力相等，容器內的水面變成相同高度，水就會停止流動。如圖四所示，利用虹吸現象可將容器內的水抽出，其中重力在虹吸過程中扮演了重要角色。

利用虹吸原理必須滿足三個條件：第一，管內先裝滿液體;第二，管的最高點距上容器的水面高度不得高于大氣壓支持的水柱高度;第三，出水口比上容器的水面低，這樣使得出水口液面受到向下的壓強（大氣壓加水的壓強）大于向上的大氣壓，保證水能流出。

圖四??? 虹吸實驗原理圖和實物圖

4.初中物理：自制潛水艇

潛水艇既能夠在水面上航行，又能夠潛入水底航行，這就需要上潛和上浮：潛水艇有一個很大的壓載艙，潛水艇自身體積始終不變，所受浮力也不變，通過改變自身重量實現浮沉。當打開進水口，往里面灌水后，自身重量增加而下潛;當用壓縮空氣將艙內的水壓出，潛艇自身重量減輕而上浮。

如圖五所示，本實驗通過大容量針筒吸出瓶內（壓載艙）空氣，瓶子吸入水增加自身重力而下潛，通過針筒壓入瓶內空氣，排出瓶中水減輕自身重力而上浮。

圖五??? 潛水艇的原理圖和實物圖

“導光水柱”教具原本是作為光的全反射這一節新課的導入，但是經過精心設計，可演示其他各類試驗，“多功能水箱”教具實現了多功能的演示效果。將此裝置作為演示教具的好處：一是新穎，可活躍課堂氣氛，激發學習興趣。二是聯系高科技，高科技并不是遙不可及的，而是以平時所學知識為基礎。三是可自己動手制作，學以致用，即利用已學知識，學生能夠憑借豐富的想象力進行探究，從而增加學生對科學技術的熱忱，實現情感態度與價值觀維度的教學目標。