可顯光路的多功能光學演示儀的設計與開發

張健　盧靖宇　黃麟惠　廖輝　孟怡彤　盧子程

摘? ?要：光學是物理教學中的重難點，學生較難及時充分地理解較為抽象的光的傳播，同時由于缺少教具輔助教學和教具現象不明顯，容易造成學生認知的困難。文章介紹一種可顯光路的立體化光學演示儀，利用本演示儀可以較為清晰、直觀地演示多種光學實驗。

關鍵詞：光學演示儀；可顯光路；立體化；中學實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0048-4

光學是中學生學習的重點和難點。為保證學生充分理解相關光學概念，教師在進行授課時可根據學生實際學習特點進行引導，將理論知識用教具形象、生動地展現出來，從而加深學生對光學現象的理解，激起他們學習光學的熱情，提高物理的整體教學水平。同時，物理是以實驗為基礎的學科。在物理教學過程中，實驗是不可缺少的重要教學手段。特別是初高中物理光學的教學演示實驗，許多物理概念、規律都是通過觀察實驗現象而進行抽象化，進一步概括、歸納出來的，所以一個現象明顯的光學教具十分重要。常用的光學實驗儀器由于存在光源亮度低、光束易發散、自然光源過強導致無法看清光學路徑等缺陷，使得實驗操作難度加大，學生看不到演示實驗現象，無法對光路進行觀察，難以自己動手調節，這些因素造成光學實驗較難完成。

為了解決此類問題，我們通過簡單材料制作出一套可顯示立體光路的多功能光學實驗儀。通過3D打印多孔光源支架，將多束激光匯聚增加光線可見度；通過電機高速轉動，將不易調節角度的單一光線形成立體柱狀光路；通過丁達爾效應，減弱自然光對光學實驗的影響。儀器結構如圖1所示。

1? ? 實驗裝置設計

本裝置利用電動機帶動可調節多孔激光支架，使三束或以上的激光束高速旋轉。利用超聲波加濕器作為霧化裝置，超聲波加濕器采用1.7 MHz的高頻振蕩，通過霧化片的高頻諧振，將水擊碎成微小顆粒拋離水面而產生自然飄逸的水霧，實驗中的水霧直徑為1 μm～10 μm。由于丁達爾效應，當可見光（本實驗演示儀采用波長為532 nm的綠激光）透過膠體時會產生明顯的散射作用，這個膠體的分散劑是空氣，分散質是微小的液滴。利用這種散射現象，在光經過的路徑上便可以看到一條明亮的光通路，這條光通路即為光學上所說的光路。同時，由于人眼存在視覺停留，從而形成立體空心光柱。所形成的空心光柱可以很好地避免只用一束光線導致現象不明顯，用以完成凹、凸面鏡（透鏡）演示實驗，同時增加了實驗的趣味性。停止電機轉動，打開一只激光束，又可以完成光的折射、偏振、衍射等實驗。

2? ? 實驗內容

2.1? ? 凸透鏡焦距測量實驗

調節光屏高度，使光屏上同心圓的圓心位于主光軸位置，將一束平行光沿著主光軸方向射到凸透鏡上，在光屏上得到的折射光線相交于一點，即焦點，測出此點到凸透鏡光心的距離，即為焦距。在進行凸透鏡實驗時，通過調節光屏，測得實驗用的凸透鏡的焦距為10.0 cm，實驗現象如圖2所示。

2.2? ? 凹透鏡焦距測量實驗

實驗原理如圖3所示。其中，用兩束激光模擬位于P點的實物，兩束入射光線經凹透鏡折射后在光屏上形成光點的間距為d1，未經凹透鏡時在光屏上形成光點的間距為d2，光線在透鏡平面上形成光點的間距為d3，光屏與透鏡之間的距離為L。

根據幾何學中相似三角形原理可得

故只需測得d1，d3以及光屏與透鏡之間的距離L即可。實驗數據如表1所示。

將表1數據代入（4）式可得凹透鏡的焦距為10.0 cm，實驗現象如圖4所示。

2.3? ? 凸面鏡反射演示實驗

在凸面鏡反射實驗中，中學階段無法有效測量凸面鏡的焦距，只能作為演示實驗進行演示。

實驗現象如圖5所示。

2.4? ? 凹面鏡反射演示實驗

凹面鏡實驗中，利用光屏顯示光點時，因為光屏會將入射光遮住，無法完成實驗，因此，我們在測量凹面鏡的焦距時，巧妙地利用小光屏，將光的焦點投射到小光屏上，得出凹面鏡的焦距為8.0 cm。實驗現象如圖6所示。

2.5? ? 光的折射實驗

光的折射是指光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向發生改變，從而使光線在不同介質的交界處發生偏折的現象。本實驗我們利用45°直角棱鏡以及等邊棱鏡進行實驗演示。

（1）利用45°直角棱鏡進行光的折射實驗，實驗中測得光相對于原來的方向偏折25°，實驗現象如圖7所示。

（2）利用等邊棱鏡進行光的折射實驗，實驗中測得光相對于原來的方向偏折41°，實驗現象如圖8所示。

2.6? ? 光柵衍射實驗

本演示儀使用的光源為單色激光，因而實驗的現象為對稱分布的光點。實驗數據如表2所示，實驗現象如圖9、圖10所示。

3? ? 結? 論

實驗結果表明，本演示儀可以很好地演示凸透鏡實驗、凹透鏡實驗、凸面鏡實驗、凹面鏡實驗、光的偏折實驗、光的偏振實驗、光柵衍射實驗，并且實驗效果明顯，特點突出，能夠激發學生學習光學的熱情。一套好的教學儀器對于教學往往起到事半功倍的作用，特別是對于光學的教學，以往的光學教具既難以調節，又很難達到預期效果，且光路的中間過程看不見、摸不著，造成學生的理解困難。本演示儀易于操作、原理清晰、可視性強，適合在中學、大學實驗室中廣泛使用，也適合經進一步開發并改進后在科普場所展示。

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2022-12-13

基金項目：重慶市中小學創新人才培養項目計劃研究項目“可顯三維光路的多功能光學實驗儀的設計與開發”（CY220222）；教育部產學合作協同育人項目“趣味物理演示實驗儀器的設計及其在物理教學中的應用”（220600532135753）；西南大學實驗技術研究重點項目“一種新型微小位移測量裝置的設計與開發”（SYJ2022009）。

作者簡介：張健（1970-），男，中學高級教師，主要從事中學物理教學研究。