艾草在光路顯示中的創新應用

摘要：用艾草煙顯示光路是一種健康環保的實驗方法，形成的光路具有清晰和穩定持久的優點.自制以艾草為煙霧源的光路演示器，演示器利用丁達爾效應來顯示光路，利用單片機控制風扇、舵機、電熱絲和步進電機的工作狀態，具有靈活高效的優點，可以廣泛應用于光路的顯示實驗.

關鍵詞：光路；煙霧；艾草

作者簡介：徐忠岳（1975-），男，浙江舟山人，本科，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學.

光路的顯示一直以來都是中小學光學實驗設計的主要難點之一.目前光路顯示的主流方法可以歸納為兩種：一種是通過柱狀或棱形玻璃（或其它透明物質）擴束的方法來顯示光路；另一種是利用丁達爾效應來顯示光路，比如在空氣中噴入煙或水霧，在水中加入牛奶、豆漿或氫氧化鐵等形成膠體.第一種方法是一種平面顯示光路的方法，雖然操作比較方便，但現象不夠直觀，且受到光線擴束特點的制約（必須有平整的屏板來展示光路），適用范圍也比較窄[1].第二種方法是一種立體呈現光路的方法，但缺點也是很明顯的，要求密閉的容器給實驗操作帶來很大的麻煩，導致使用范圍非常局限；另外水霧很不穩定，光路往往斷斷續續，而且光路不是很明顯，需要在比較黑暗的環境中進行[2].

因此，設計一種可以穩定、立體和清晰地呈現光路的實驗儀器是非常必要的.利用艾草煙來顯示光路是一種健康環保的實驗方法，形成的光路具有清晰、穩定持久的特點，可以廣泛應用于光路的顯示等光學實驗.

1實驗原理

煙霧控制器利用單片機控制風扇、舵機、電熱絲和步進電機的工作狀態，通過紅外遙控實現對舵機加料（艾葉）、電熱絲點燃艾葉、風扇排煙、步進電機運輸灰燼和煙霧量等環節的控制.煙霧控制器產生的“艾煙”通過一根不易壓折的彈簧軟管輸送到透明霧箱，利用丁達爾效應在霧箱內演示各種光學實驗.

2主要實驗材料

絲杠導軌一套（附滑臺和42步進電機，行程12cm），39步進電機一只， 12V鉛酸電池一只，單片機開發板一塊（Arduino UNO），L298N電機驅動模塊兩個，5V繼電器兩只，SG90舵機一只，紅外遙控器一只，8025HSL型風扇一只（DC12V），12V汽車點煙頭一只，AZ-7121型限位開關2個，水斗金屬過濾網一塊，牙線盒一只.5mm和3mm厚的有機琉璃板若干，焊錫、接線柱和導線等.

3煙霧源的選擇

3.1各種煙霧效果（光路的清晰度和穩定性）對比

丁達爾效應與顆粒的直徑大小有關.光在膠體中傳播時，如果其中的粒子直徑遠大于入射光波長，發生反射現象；如果粒子直徑稍小于或接近入射光波長，會發生明顯的丁達爾效應[3].另外演示光路還必須考慮煙霧的穩定性.比如用水霧來顯示光路效果不好，因為水霧受重力作用容易下沉，光路斷斷續續、很不穩定，持續時間也最短；而且水霧顆粒相對較大，所以形成的丁達爾現象并不是很明顯.因此選擇合適的煙霧源是光路顯示的關鍵.

首先對舞臺煙餅、電子煙、艾草、蚊香、佛香、各種葉子、枝條和加濕器等多種器材產生的煙霧進行初步的對比實驗.把各種煙霧分別通入一只透明的盒子，用激光照射觀察光路.發現加濕器（超聲波霧化）產生的水霧效果最差，電子煙、舞臺煙餅和艾草的效果都很不錯，表現為光路明亮清晰，但穩定性（維持時間）并不相同.

實驗發現在前10分鐘之內，三種煙霧的效果區別不大，很難區分好壞；15分鐘時可以發現電子煙的效果相對較差；30分鐘后發現艾草煙的效果略好于煙餅；1小時后電子煙霧中的光路幾乎消失，艾草煙中的光路明顯好于煙餅.綜合健康和實驗效果因素，艾草是相對較好的選擇.

3.2各種艾草產品焦油含量對比

實驗中發現艾草燃燒時會產生焦油，焦油附著在容器壁上會降低實驗箱的透明度.

如圖1所示，分別稱取等質量（5克）干燥的艾粉、艾絨或艾柱（也稱艾條）等艾草產品進行試驗.先把它們在無風環境中點燃，在艾煙上方罩一只1000mL的燒杯，待艾草燃盡后用紙巾擦拭燒杯底部，發現艾絨燃燒產生的焦油量最多（紙巾最臟），原色艾柱產生的焦油量最少.所以建議用原色艾柱來做實驗.

4煙霧控制器和實驗箱的制作

4.1煙霧控制器的制作

制作煙霧控制器是為了便于產生和控制煙霧，特別適用于需要多次使用煙霧或者需要大量煙霧的實驗.如圖2～5所示，控制器的尺寸是21cm×18cm×27cm（長/寬/高），箱體用5mm厚的有機玻璃板制作，底板處有通氣孔.控制器利用Arduino單片機來控制電熱絲、電機等，控制電路位于箱體的底部，按圖2（a）所示連接電路.箱體內部安裝了絲杠導軌滑臺、艾草筒、舵機、網兜、電熱絲和煙灰水池等.電路全部采用紅外遙控，遙控器按鍵設置如下：左鍵—42步進電機向左移動50步（每400步電機轉動一周，下同）；右鍵—42步進電機向右移動60步；按鍵1—舵機帶動擋板開合一次；按鍵2—電熱絲通電/斷電；按鍵3—排風扇啟動/停止；按鍵4—42步進電機把網兜從圖2（b）中的位置A移動到位置B，然后39步進電機帶動網兜轉動2周，最后42步進電機把網兜從位置B后重新移動到位置A，完成去灰燼（見圖5）和網兜復位.

如圖3所示，擋板每開合一次就會有少量的艾草落入網兜中，可以根據需要適當控制擋板的開合次數.因為煙霧過濃會影響對光路的觀察，所以當實驗中發現煙霧已經足夠多，但艾草還在燃燒時，應該馬上按下按鍵4，這樣可以及時熄滅艾草、中斷煙霧的供給.幾下是兩點建議和說明：

（1）在艾草筒下方靠近網兜的位置安裝圍欄，是為了防止艾柱落入網兜之外.制作圍欄的材料需要耐高溫，所以建議采用“聚四氟乙烯”材質的耐高溫布料.

（2）電熱絲的兩根引線不能用電烙鐵焊接，因為焊錫在高溫下會熔化，所以建議用螺絲固定引線.

4.2實驗箱的制作

如圖6所示，實驗箱用3mm厚的有機玻璃板制成，尺寸為60cm×35cm×30cm（長/寬/高），其中頂板是不固定的，這樣方便在里面放置光學儀器.使用袖套是為了便于對實驗箱內的儀器進行操作或更換器材.無需操作箱內器材時把袖套擰起來，煙霧就不會泄漏了.

5使用方法

準備工作：在圖3所示的艾草筒里加入適量的碎艾柱，用彈簧軟管連接控制器的排風口和實驗箱的進氣口，在實驗箱中放入需要演示的光學儀器.接通控制器電源，按遙控器左、右鍵把網兜移動到電熱絲的正上方.

煙霧控制：按幾下（點按，下同）遙控器的按鍵1，直到網兜中落入適量的艾柱.按下按鍵2，電熱絲對艾柱加熱，當發現艾柱被局部點燃時，再按下按鍵2停止加熱.按下按鍵3啟動排風扇，當發現實驗箱中的煙霧量比較合適，用激光筆照射可以看到清晰的光路時停止排風.按下按鍵4，系統會自動完成去灰燼和復位操作.

一般上新課的時候，單一實驗的操作過程中不需要打開實驗箱的頂板，光路可以保持1小時以上，無需中途補充煙霧.如果用于課外自主探究或光學實驗復習課，由于需要頻繁更換器材、打開頂板，光路肯定會逐漸變弱.當發現光路將要不清晰時，應該提前1分鐘進行上一步的煙霧控制操作.

注意：由于艾草煙的顆粒直徑非常小，艾草煙進入實驗箱后不會出現明顯的“霧朦朦”的現象，尤其是艾草煙在實驗箱里靜置2分鐘以上時，實驗箱看上去是完全通透的，所以需要用激光照射來判斷艾草煙是否適量.

6實驗效果

本儀器可以廣泛應用于所有學段的光學實驗教學.如圖7所示，與其它方法相比，艾草煙在顯示光路時具有安全、清晰和穩定性兼備的優點，在光的反射、折射、色散、偏振、干涉和衍射等各種幾何光學和物理光學實驗中光路的顯示都取得了很好的實驗效果.

7結束語

用艾草煙來顯示光路是一個有特色的創新，它確保了實驗的安全性，形成的光路具有清晰和穩定持久的優點；自制煙霧控制器可以遙控風扇、舵機、電熱絲和步進電機的工作狀態；帶有袖套的光學實驗箱使實驗操作方便靈活，大大提高了實驗效率和實驗環境的整潔性，極具推廣價值.

參考文獻：

[1] 徐忠岳.激光光學演示儀的創新設計與應用[J].教學儀器與實驗，2015，31（12）：41-45.

[2] 陳健波.呈現空間光路的光學演示儀 [P].ZL201020129710.1，中國專利： 2011.04.27.

[3] 朱玉忠，李忠元等.自制丁達爾效應模擬器[J].化學教與學，2018（1）：91.