自制多功能光学实验探究仪

陈斯钿 李德安 黄大平 罗钊颖

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

1 引言

物理学是一门以实验为基础的学科，物理学中丰富多彩的实验现象不仅能培养学生的学习兴趣，还能在实验过程中培养学生的科学探究能力.光学现象作为自然界中常见的现象，与我们的现实生活联系密切，因此光学部分的内容也是中学物理教学中的重点之一.

该部分内容要求学生掌握光的各种现象，会用光学的基本知识来解释生活中常见的光学现象.但现阶段的光学教具演示效果较差，特别是某些光学实验中的光路得不到较好的呈现，导致学生缺乏充分的感官刺激.同时,现阶段的光学教具整体性较低，教师需要在实验准备上花费较多的时间和精力.因此，针对传统光学教具的不足，笔者设计了多功能光学实验探究仪，将中学的光学实验进行充分的整合，以达到“一物多用”的目的，同时给学生提供直观的现象刺激，让学生掌握必要的知识，以培养学生正确的物理思维.

2 实验原理

本装置所能演示的实验分为常规实验与拓展实验，如表1所示.

表1 常规实验与拓展实验列表

2.1 显示光路的原理

本装置所演示的实验均需要显示出光路，因此需要营造一个能够显示光路的环境.传统的实验方法是配制胶体溶液(比如在清水中加入几滴牛奶)或者在密闭的容器中加入烟雾(比如在箱子里点燃艾条)，以上方法显示出的光路效果并不理想，比如在配制水奶溶液时很难控制牛奶的量，经常会加入过多牛奶导致溶液浑浊，并且溶液稳定性差，静置一段时间后演示效果会大打折扣；又比如用烟雾来显示光路，光路的散射现象比较严重，并且会带来较大的异味.尤其是在探究光的折射定律时，通常需要在配制水奶溶液后另外在溶液上方加入烟雾，操作过程繁琐且效果较差,如图1所示.

图1 传统显示光路的效果

经过大量试验后，本装置最终确定采用有机玻璃条和肥皂溶液来显示光路.有机玻璃条由于自身的材质特点便可显示出光路，在常规实验“光的折射”及拓展实验“可视化光纤通信”的演示中具有重要的作用.而肥皂溶液采用常见的泡泡水与清水进行混合，配制后溶液依然呈透明状态，显示出的光路清晰可见且不易散射，损耗极低，并且溶液十分稳定，静置长达一周后依然可用于实验演示.

在营造一个能够清晰显示光路的环境之后，将各光学器件放入溶液中即可演示各项传统实验及潜望镜原理.

2.2 可视化光纤通信原理

光纤由纤芯和包层组成,如图2所示，由于纤芯的折射率大于包层的折射率，使得以合适角度进入光纤的光能够在纤芯和包层的界面上发生全反射，再以折线的形式沿着光纤传播.本装置利用有机玻璃条模拟光纤中的纤芯，用肥皂溶液模拟光纤中的包层，将有机玻璃条浸没在肥皂溶液中便组成了模拟光纤.由于有机玻璃条的折射率大于肥皂溶液的折射率，使得以合适角度进入有机玻璃条的光能够在有机玻璃条和肥皂溶液的界面上发生全反射，同时有机玻璃条能够显示出光路，通过这样的组合，便可在有机玻璃条中看到光的全反射现象及其光路.

图2 光纤结构图

光纤通信是以光作为信息载体而实现的通信.为了将音频信号调制为光信号传播出去，本装置利用小型功放将手机输出的音频信号调制到激光器上，激光的强度将随着电信号幅度的变化而发生变化，激光在有机玻璃条中传播后到达由太阳能板制成的接收端，由于光强不断变化，太阳能板将输出强度不断变化的微电流，经功率放大器放大后将解调为放大的电信号，输出到喇叭之后即可发出声音,如图3所示.

图3 光纤通信原理图

3 装置的制作

3.1 使用材料

制作该装置所需的材料包括水缸、激光笔、透镜、面镜、有机玻璃材料、功放、喇叭、电源线等，所需的材料简单易得，贴近生活实际.

3.2 制作过程

(1)确定各器材的最佳摆放位置及中心高度，设计各器材的底座.

(2)使用激光切割机、钻孔机床对有机玻璃材料进行加工，制作各器材的底座，并将激光笔、透镜、偏振片等器材安装至底座上，调试完成后，用以演示各项传统光学实验.

(3)裁剪两片适当尺寸的平面镜，并固定在支架上，两个平面镜相对并保持与水平方向成45°夹角，加设底座，将整个装置稳定放至水中后，用以演示潜望镜原理.

(4)将小型功放的输出端与电芯串联后再与激光器相连，组成信号发射模块；将太阳能板的两极与功率放大器的输入端相连，再将喇叭连接至功率放大器的输出端，组成信号接收模块，与信号发射模块共同组成光纤通信演示模块，用以演示可视化光纤通信.

3.3 装置实物

传统实验演示装置与光纤通信演示装置如图4和图5所示.

图4 传统实验演示装置

图5 光纤通信演示装置

4 实验演示及现象

在实验演示之前，需要在水缸中配置肥皂溶液，配置比约为18 L水配两包泡泡水.

4.1 演示光的直线传播

接通激光笔电源，让激光射入溶液，可在水缸中看到一条清晰笔直的光路，说明光是沿直线传播的,如图6所示.

图6 光的直线传播

4.2 演示光的反射

接通激光笔电源，让激光照射到平面镜上，调整激光笔的角度，让入射点位于量角器的圆心，在量角器上可读出入射角与反射角的角度,如图7所示.

图7 光的反射

4.3 演示镜面反射与漫反射

(1)接通激光笔电源，让平行激光束照射到平面镜上，此时可以看见激光束经平面镜反射后平行射出,如图8所示.

图8 光的镜面反射

(2)在缸底放置一块凹凸不平的镜面，让平行激光束照射到镜面上，此时可以看见平行激光束经凹凸不平的镜面反射后向四面八方射出,如图9所示.

图9 光的漫反射

4.4 演示光的折射

将有机玻璃条放至肥皂溶液中，接通激光器电源，调整激光器的角度至可以同时观察到入射光线、反射光线和折射光线,如图10所示.在量角器上可读出入射角和折射角的角度，代入公式即可求得有机玻璃条相对于肥皂溶液的折射率.

图10 光的折射

4.5 演示光的全反射

接通激光器电源，调整激光器的角度至可以同时观察到入射光线、反射光线和折射光线.缓慢增大入射角，可以观察到反射光线的亮度在不断增大，折射光线的亮度不断减小，当入射角达到某一角度时，反射光线亮度达到最大，折射光线消失，即发生了全反射现象,如图11所示，此时在量角器上可读出临界角的角度.

图11 光的全反射

4.6 演示透镜和面镜对平行光的作用

(1)将凸透镜、凹面镜分别放至肥皂溶液中，接通激光笔电源，让平行激光束照射到凸透镜或凹面镜上，可以观察到光束被会聚,如图12和图13所示.其中，在观察凸透镜对平行光的作用时，可以通过刻度尺读出凸透镜在水中的焦距；

图12 凸透镜对平行光的会聚作用

图13 凹面镜对平行光的会聚作用

(2)将凹透镜、凸面镜分别放至肥皂溶液中，接通激光笔电源，让平行激光束照射到凹透镜或凸面镜上，可以观察到光束被发散,如图14和图15所示.

图14 凹透镜对平行光的发散作用

图15 凸面镜对平行光的发散作用

4.7 演示光的偏振

(1)将偏振片放置于肥皂溶液中，接通激光笔电源，让激光束穿过偏振片，可以看到整条光路具有相同的亮度,如图16所示.

图16 光路具有相同的亮度

(2)缓慢旋转偏振片，可以观察到偏振片前的光路亮度不变，而偏振片后的光路亮度慢慢变暗，继续旋转偏振片，可以观察到偏振片后的光路达到最暗的亮度,如图17所示.

图17 光路经偏振片后变暗

该过程非常直观地展现出了偏振片对激光束作用的过程，也证明了激光是一种偏振光.

4.8 演示潜望镜原理

把潜望镜装置放入肥皂溶液中，让激光平射入上平面镜中，可以看到激光被平面镜反射后竖直向下射入下平面镜，再经反射后沿水平方向从下平面镜射出,如图18所示.

图18 潜望镜原理

4.9 演示可视化光纤通信

(1)将信号发射模块、模拟光纤和信号接收模块放在同一水平面上，并将有机玻璃条放至肥皂溶液中.接通电源后，调节激光器角度，让激光束在有机玻璃条中发生全反射，并让出射光线照射到太阳能板上,如图19所示；

图19 光纤通信

(2)用音频线将手机连接至小型功放的输入端，开始播放音乐，可以看到激光束产生微弱的光强变化，同时喇叭开始播放出美妙的音乐；

(3)此时如果用手挡住激光，可以发现音乐立刻停止播放，将手移开之后，音乐恢复播放，以此证明音频信号是通过激光进行传输的；

(4)用音频线将麦克风信号放大器的输出端和小型功放的输入端连接起来，对着麦克风说话，可以发现喇叭发出对应的声音，从而达到了即时通讯的目的；

(5)将信号接收模块移至较远的地方，让信号发射模块和信号接收模块相隔较远的距离，调整激光直接照射到太阳能板上，对着麦克风说话，远处的喇叭依然能听到清晰的声音，充分说明了利用激光进行通信具有传输距离远、传输损耗低、传输质量高等优点.

5 装置的优点

(1)突破传统，光路可视化.本装置突破传统的光路显示方法，创造性地使用了有机玻璃条和肥皂溶液进行光路的显示，直观清晰地展现出了各种光学现象中的光路，给予学生充分的感官刺激；

(2)创新拓展，组合性强.本装置可以灵活组合使用，除了能够演示传统的光学实验外，还能演示潜望镜原理、可视化光纤通信等拓展实验，大大提高了教具的拓展性，同时模块化的设计让器材更换更加方便，适合教师在课堂上进行分模块教学；

(3)取材新颖，推广性强.本装置整体以有机玻璃为材料进行加工，外观简洁大方，结构坚固稳定，提高了教具的耐用性.同时本装置操作简单，现象明显，富有趣味性，能让学生对物理现象有充分的认知，具有较高的推广性.

6 结束语

自制教具在中学物理教学中具有重要的地位和作用，针对现有教具的不足进行改进、创造自制教具，可以大大提高物理实验的演示效果，给予学生充分的现象刺激，让学生对物理现象和物理知识有更深地理解.本文所介绍的多功能光学实验探究仪，正是针对传统光学教具的不足，在对光学实验进行整合的基础上，再进行创新性改进，让光路的可视效果更加明显直观，再结合生活实际进行拓展应用，大大增强了物理与现实生活之间的联系，不仅培养了学生的物理学习兴趣，也提高了学生的科学探究能力.