中學(xué)光學(xué)實驗節(jié)能改進案例

文 柯本勇 熊 力

隨著教育改革的不斷深入，創(chuàng)新和改進實驗教學(xué)是當(dāng)前物理教育工作者面臨的大課題。進行實驗創(chuàng)新與改進時，必須考慮節(jié)約、節(jié)能問題，使新實驗方案既滿足現(xiàn)代物理教學(xué)的需要，又能降低實驗成本，減少資源的浪費。本文通過幾個簡單的光學(xué)實驗案例，介紹北京市第八中學(xué)在利用新技術(shù)、新材料、新方法改進實驗的過程中，落實“節(jié)能減排”理念的一些做法。

一、凸透鏡成像實驗

凸透鏡成像實驗是一個初中學(xué)生分組實驗，要求學(xué)生通過實驗探究凸透鏡的成像規(guī)律。傳統(tǒng)實驗設(shè)計的主要器材有：焦距為10 cm的凸透鏡、蠟燭、火柴、光屏、光具座等。學(xué)生實驗過程是：點燃蠟燭并以燭焰充當(dāng)成像物體；調(diào)整物距、像距；觀察記錄燭焰成清晰像時的物距、像距及辨識像的性質(zhì)(包括正立像、倒立像，實像、虛像，像與物的大小關(guān)系比較等)；最后通過簡單的實驗結(jié)果分析，總結(jié)歸納出凸透鏡的成像規(guī)律。

實驗中，點燃的蠟燭消耗教室中的氧氣，且燃燒不充分的石蠟煙氣使教室和樓道中充斥著濃重難聞的味道；實驗完成后，蠟跡斑點遍布實驗器材和桌面。這樣的實驗方法對師生的身體損害和對環(huán)境的污染比較大。

2002年，為降低該實驗對教學(xué)環(huán)境的污染，我們設(shè)計了新的實驗方案：用小燈泡的燈光替代燭光作為光源，用自制的幻燈片替代燭焰作為成像物，將加工過的鐵制飲料筒、小燈泡、塑料手電筒的反光碗、自制幻燈片等材料組合成為新的實驗光源裝置(如圖1所示)。

圖1 凸透鏡成像實驗

可抽插、替換的幻燈片作為成像物，學(xué)生可以通過幻燈片的正置、倒置、正放、反放來變化實驗，觀察、記錄成像的情況，從而探究凸透鏡的成像規(guī)律?；脽羝鳛槌上裎铮档土嗽瓉頎T焰 “體”作為成像物時，在光屏“面”上確認“清晰像”的難度，使得確認過程變得很簡單，實驗的準(zhǔn)確程度也有所提高。

2011年，我們指導(dǎo)學(xué)生對該實驗做了進一步改進。針對該實驗中凸透鏡的位置保持不動的特點，將“0”刻度置于光具座標(biāo)尺中央，其余刻度分別向兩個相反的方向展開。實驗時只需將凸透鏡置于“0”位置，“物”與“實像”分別位于透鏡兩側(cè)，調(diào)整好實驗裝置后，可以直接從標(biāo)尺上讀出“物距”和“像距”。在節(jié)能方面，新方案用功率為1 W的LED燈替代了原來的3 W小燈泡，耗電量比原來少，實驗效果卻比用小燈泡好。

二、白光的色散演示實驗

白光的色散實驗是著名科學(xué)家牛頓的一個經(jīng)典實驗，白光通過三棱鏡投射到屏幕上形成由7種色光有序排列成的彩色光帶(連續(xù)光譜)，自然界中最常見的白光色散現(xiàn)象就是雨后的彩虹。中學(xué)物理教學(xué)要求通過觀察實驗現(xiàn)象，幫助學(xué)生認識白光是復(fù)色光。利用不同色光折射率的差異，可以通過三棱鏡將白光分解。這是一個非常重要的演示實驗，自然光中，利用太陽直射光(光照度大且可視為“平行光”)實驗效果最好。但因受天氣、太陽高度角、教室朝向和彩色光帶投射面的位置等因素的限制，這個實驗成了物理教學(xué)中的難題。不少物理教育工作者設(shè)計、制作過光的色散實驗教具，大都采用傳統(tǒng)的強光源，實驗裝置能耗大、較笨重，使用不太方便。

我們以LED釣魚燈為原型，將其與不透光的塑料板和三棱鏡組合為“光的色散演示器”，解決了這個實驗難題。LED耗電量小、發(fā)光效率高、發(fā)熱量低；釣魚燈亮度高、出射光的方向性較好，且攜帶和使用都非常方便，適合與實驗室現(xiàn)有的三棱鏡整合為便捷的演示教具。

制作方法：加工一塊與釣魚燈直徑相同的黑色塑料板替換燈前玻璃，在塑料板靠近邊緣處開一個長度略短于三棱鏡、寬度約為5 mm的矩形開口；打開釣魚燈；三棱鏡置于塑料板開口處，讓燈光照射到三棱鏡的一個光學(xué)面上；調(diào)整其安放位置及其與塑料板的角度；在理想的位置出現(xiàn)滿意的色散圖樣時，將三棱鏡固定于塑料板上。教師準(zhǔn)備實驗時像用手電筒一樣，試一下即可掌握使用方法，色散圖樣可以隨意投射到天花板或墻面上。

三、光的干涉、衍射演示實驗

演示光的干涉和衍射現(xiàn)象也是中學(xué)物理實驗的難題。光的干涉和衍射是光具有波動性的有力證明，課堂上教師運用實驗手段讓在場的學(xué)生觀察到光具有波動性的證據(jù)至關(guān)重要。長期以來，在中學(xué)都是利用J2515“雙縫干涉實驗儀”進行光的雙縫干涉實驗。遺憾的是“雙縫干涉實驗儀”只能供實驗者本人觀察，而不能用于演示。

2002年，在利用“實物展臺”的攝像頭實現(xiàn)雙縫干涉現(xiàn)象投影成功后，我們設(shè)計了改用“顯微目鏡”實現(xiàn)投影演示的“光的干涉、衍射投影附件組”，成功地解決了實驗演示難題?！半p縫干涉實驗儀”的配套光源是功率為21 W的直絲白熾燈。功率雖然不小，但就本實驗而言，亮度卻不夠高。由于實驗的特殊性，演示實驗采用的光源是能耗和發(fā)熱量較大的顯微鏡外置光源。

伴隨大功率半導(dǎo)體光源逐漸普及，我們又進一步設(shè)計制作了“光的干涉、衍射實驗光源”，利用一個低壓恒流電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，分別控制紅、綠、藍、白4只功率為1 W的LED光源，實驗時不再需要用加濾色片的方式演示單色光的干涉現(xiàn)象，簡化了實驗操作。

“用雙縫干涉測量光的波長”是一個難度較大的學(xué)生分組實驗。但是由于儀器配套光源亮度不夠，測量單色光波長需要加濾色片，導(dǎo)致觀察、記錄干涉條紋數(shù)量相當(dāng)困難。我們將新型光源用于學(xué)生實驗，收到了很好的效果。光源的替換，同時降低了光源亮度不夠和使用濾色片對實驗測量準(zhǔn)確度的影響，降低了實驗難度。用功率僅為1 W的新光源取代原來功率為21 W的傳統(tǒng)光源，耗電量不到原來的5%，實驗效果非常理想。圖2為利用新光源進行學(xué)生分組實驗時觀察到的白光干涉圖樣。

圖2 新光源用于學(xué)生分組實驗

四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

近年來，半導(dǎo)體激光器以其體積小巧、使用方便，且發(fā)光效率高、能耗低而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)實驗。中學(xué)光學(xué)實驗大都可以用半導(dǎo)體激光器來完成，原實驗室配備的以氦氖激光器為核心元件的J2513“激光光學(xué)演示儀”似乎沒有了用武之地。我們以為就此將其淘汰實在可惜，與它配套的許多光學(xué)實驗附件應(yīng)該具有很強的生命力，充分利用它們可以完成大量的光學(xué)實驗。涅爾衍射的圖樣。彩色圖片非常漂亮，看上去有點黑洞、宇宙星云的意思，很神秘，引人遐想！如果親身經(jīng)歷實驗，改變光源到小孔或小孔到光屏的距離，還可能會看到與此不同的衍射圖樣。當(dāng)然，我們還利用附件上的方孔、矩形孔、三角孔分別進行了實驗，獲得了相應(yīng)的衍射圖樣，這些圖片都是很好的教學(xué)資料。

圖3 圓孔菲涅爾衍射

五、泊松亮斑

泊松亮斑的本質(zhì)是光的衍射現(xiàn)象，當(dāng)光照到不透光的小圓板上時，在圓板的陰影中心出現(xiàn)的亮斑。泊松先生原想用理論計算結(jié)果與“經(jīng)驗”相悖推翻光的“波動說”。但著名的物理學(xué)家菲涅爾偏偏就用實驗證實了那個“亮斑”還就真的存在！原本作為反對“波動說”依據(jù)的“亮斑”，反而變成了支持“波動說”的重要證據(jù)。

我校實驗室的前輩教師曾經(jīng)制作過觀察泊松亮斑的教具，但是只限于實驗者本人觀察。同時由于光波本身的性質(zhì)決定了“亮斑”太小，實驗現(xiàn)象不是很明顯，教師很難確定課堂上有多少學(xué)生看到了那個極小的亮斑。

我們利用大功率半導(dǎo)體激光器、大頭針、強磁鐵和小鋼球等材料成功地完成了這個實驗。激光照射到剖面為圓形的不透光小鋼球上，在屏幕上陰影中心可以看到清晰的“泊松亮斑”(如圖4所示)。

圖4 泊松亮斑

因為需要投入的資金很少，實驗效果卻很好，而且實驗方法簡單，所以利用功率較大的半導(dǎo)體激光器解決傳統(tǒng)光學(xué)實驗難題往往非常有效。雖然半導(dǎo)體激光器一般功率都不太大，可是激光直線性好、能量集中，很容易對人眼和皮膚造成損害，所以我們不輕易讓學(xué)生接觸到較大功率的激光器。必須用大功率激光器作為光源的演示實驗以視頻或圖片的形式展示；學(xué)生分組實驗采用小功率的激光器(3～5 mW)。我們建議：分組實驗時，把激光器與擴束裝置組合為一個不可拆分的固定整體，這樣可以分散出射激光的能量，降低對師生造成意外傷害的概率。

六、鈉的發(fā)射光譜實驗

中學(xué)物理實驗的改進和創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)時代的要求和科學(xué)技術(shù)的進步而不斷優(yōu)化，將“節(jié)能減排”作為一項原則納入實驗的改進和創(chuàng)新中有太多可以做的事。比如沒有低壓鈉燈的情況下，利用分光鏡觀察鈉的發(fā)射光譜實驗，傳統(tǒng)做法是向點燃的酒精燈火焰上撒食鹽，這種做法的實際效果并不理想。用分光鏡觀察直接泡過食鹽的酒精燈燈焰，是一種比較好的實驗選擇(如圖5所示)。

圖5 鈉的發(fā)射光譜實驗

圖5中的臺燈是分光鏡標(biāo)尺的照明光源，它的功率是幾十瓦，且使用時需要精心調(diào)整位置才能獲得較好的照明效果。我們從實驗的效果和便捷性方面考慮，用4只發(fā)光二極管(合計功率約0.3 W)、膠卷盒和透明膠帶骨架為主要材料，制作了非常精巧的“分光鏡標(biāo)尺照明燈”，用它替換掉功率為幾十瓦的臺燈，既方便實用，又達到了很好的節(jié)能效果。

七、結(jié)束語

“節(jié)能減排”不是口號，它已經(jīng)成為全人類的使命！這不僅僅是一種全新的人類社會發(fā)展方式，還應(yīng)該成為人類的一種生活方式。教育工作者可以通過“言傳”，幫助學(xué)生了解“節(jié)能減排”的重要意義，養(yǎng)成節(jié)約身邊各種資源的習(xí)慣，還可以通過“身教”，給學(xué)生樹立榜樣，使他們將 “節(jié)能減排”落實到行動上。在實驗改進和創(chuàng)新中，在指導(dǎo)學(xué)生進行科技活動中，只要用心觀察和研究，總能找到既滿足需要，又節(jié)約節(jié)能的好辦法！