幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

徐忠岳 曾 裕 蔣富華

(1.東海中學(xué),浙江 舟山 316000;2.舟山市第二中學(xué),浙江 舟山 316000)

1 光源的改進(jìn)——自制激光源

如何清晰地顯示出光的傳播路徑是幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須考慮的問題.常用的方法有煙霧法和光線擴(kuò)束法.如圖1所示的J2513型激光光學(xué)演示儀是浙江大學(xué)光學(xué)儀器廠于上世紀(jì)90年代研制的專利產(chǎn)品,是目前廣泛使用的中學(xué)教學(xué)儀器之一.此儀器利用柱面擴(kuò)束鏡將點(diǎn)狀激光束變成“一字”線狀激光,再通過固定在分束器上的反光鏡之后在屏板上留下一條徑跡.［1］顯然擴(kuò)束和鏡片反射,分散了光束的能量,使真正沿著屏板傳播的光的能量不多,留在屏板上的徑跡并不明顯,往往需要在比較黑暗的環(huán)境中進(jìn)行演示.

圖1

在普通激光筆前加裝一個(gè)L形鏡片就可提高光路的可視性.激光筆發(fā)出的光線經(jīng)過L形鏡片擴(kuò)束,在前方屏幕上形成一段射線狀的光跡.如圖2(a)所示,如果將鏡片的下端靠在屏板上,就會(huì)在屏板上留下一條可表示光傳播方向的明亮光路,而且對(duì)屏板的平整度要求也不高.如圖2(b)所示,自制激光源由裝有L形鏡片的鏡帽、套筒和激光筆3部分組成.套筒底部固定2個(gè)直徑為1cm的銣磁鐵,便于將激光源吸附在鐵質(zhì)材料上.在套筒內(nèi)壁用電烙鐵燙出1條深約3.0mm的凹槽,以便將激光筆的開關(guān)順著此槽塞入套筒中.

圖2

2 制作多功能“反射、折射和全反射”演示儀

一般采用J25011或J25015型光的反射、折射和全反射演示器來探究水的折射率,采用J2513型激光光學(xué)演示儀來探究玻璃的折射率.對(duì)于折射實(shí)驗(yàn)演示教學(xué),顯然這些儀器功能單一,可見度和精確度都不夠.如圖3所示的儀器為自制的多功能“反射、折射和全反射”演示儀,與上述激光源配套使用,可用來直觀精確地演示“空氣—玻璃”、“空氣—水”、“玻璃—水”之間發(fā)生的折射現(xiàn)象.其中容器部分為40cm×4cm×22cm的玻璃槽,屏板為40cm×45cm的有機(jī)玻璃板,屏板上貼有塑料材質(zhì)的360°量角器.將1枚螺絲用502膠水粘在半圓形玻璃磚上作為固定玻璃磚的支架.使用時(shí)只要轉(zhuǎn)動(dòng)螺帽即可將玻璃磚擠壓在屏板上,不用時(shí)松開螺絲就可取下玻璃磚.轉(zhuǎn)動(dòng)臂為長30cm的鋼尺,用以吸附激光源.轉(zhuǎn)軸為1段直徑1cm、長1cm的有機(jī)玻璃棒,并在中間用絲錐制作1個(gè)直徑4mm的內(nèi)螺紋,然后用三氯甲烷把它固定在圓心位置.在鋼尺的適當(dāng)位置上先打1個(gè)直徑4.5mm小孔,再用絲錐制作一個(gè)直徑5mm的內(nèi)螺紋用來安裝定位螺絲.

圖3

本儀器使用起來十分便捷,演示時(shí)只要旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)臂即可改變?nèi)肷浣堑拇笮?而且可見度好、精確度高.由于水的表面張力會(huì)形成凹形液面,當(dāng)光從空氣入射水中時(shí),屏板上看不到反射光線.如何解決這一問題呢？簡便的做法是在水面上鋪一張較薄的無色透明的塑料紙,這樣既可以消除凹形液面的影響,又能減弱水面上的晃動(dòng).

3 折射定律與折射率的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

(1)分組探究實(shí)驗(yàn).

演示實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在“看”,分組實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在“做”.顯然在條件允許的情況下,分組實(shí)驗(yàn)更有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn)操作技能、實(shí)驗(yàn)分析和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng).折射定律和折射率探究實(shí)驗(yàn)不僅趣味性強(qiáng),而且涉及數(shù)據(jù)測量、科學(xué)猜想、數(shù)據(jù)分析和歸納等環(huán)節(jié),頗具教學(xué)價(jià)值.由于價(jià)格昂貴,J2513型激光光學(xué)演示儀只作演示教學(xué)之用.有了自制激光源,開展隨堂實(shí)驗(yàn)或組織課外自主探究就是舉手之勞的事了.

如圖4所示,利用上述激光源、印有360°量角器的A4紙和半圓形玻璃磚即可以讓學(xué)生自主探究發(fā)生在空氣和玻璃之間的折射現(xiàn)象.圖中量角器的精度為1°,角度測量較為準(zhǔn)確,有利于定量研究入射角與折射角之間關(guān)系,得出折射率的概念及其表達(dá)式.教學(xué)時(shí),可將學(xué)生分成兩組,分別測量并記錄10～20組綠光和紅光的入射角和對(duì)應(yīng)的折射角,指導(dǎo)學(xué)生通過旋轉(zhuǎn)A4紙來改變?nèi)肷浣且蕴岣邔?shí)驗(yàn)效率.

圖4

如果實(shí)驗(yàn)室缺少半圖形玻璃磚,可以用平行玻璃磚代替.如圖5(a)所示,測量折射角時(shí)先用細(xì)筆尖的鉛筆依次標(biāo)出各折射光的出射點(diǎn).然后用直尺連接出射點(diǎn)和入射點(diǎn),即可從量角器上讀出折射角的大小了(如圖5(b)所示).由于可以看到完整的光路,此方法還可以為后續(xù)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)打下伏筆,幫助學(xué)生理解光路可逆這一“插針法”測玻璃磚折射率的實(shí)驗(yàn)原理.

圖5

(2)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué).

將上述學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入Excel電子表格并生成如圖6所示的數(shù)據(jù)分析圖,可知隨著入射角的增大折射角也隨之增大,且對(duì)于同一組實(shí)驗(yàn),入射角和折射角的正弦值的比值保持不變.對(duì)比2組數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)綠光從空氣入射玻璃(冕玻璃K6)時(shí)的比值(約為1.520)要大于紅光(約為1.509),即綠光更容易偏折.上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)可為后續(xù)的棱鏡色散、彩虹等相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)提供了有力的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).然后提出問題:光從空氣斜射到水中時(shí),是否也有這樣的規(guī)律呢？實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的確如此,只是比值稍小一些.再往容器中注入一定量預(yù)先配制好的高濃度氯化鈉或蔗糖溶液,發(fā)現(xiàn)上述結(jié)論依然成立.

圖6

如果光從玻璃射入水中會(huì)怎么樣呢？如圖7所示,調(diào)整半圓形玻璃磚位置,讓弧形面朝上,并使其圓心和量角器的中心對(duì)齊,轉(zhuǎn)動(dòng)螺帽將半圓形玻璃磚“頂”在容器中.然后向容器中倒水,水面漫過量角器中心即可演示.演示結(jié)果讓學(xué)生非常驚訝:“怎么入射角還比折射角大？”,他們開始認(rèn)識(shí)到折射與兩種介質(zhì)都有關(guān)系.

圖7

通過以上實(shí)驗(yàn),說明入射角正弦值sinθ1和折射角的正弦值sinθ2的比值n12(相對(duì)折射率)可以反映物質(zhì)的某種特性.n12與兩種介質(zhì)都有關(guān)系,并且與光的顏色有關(guān).如果光從真空入射到某種介質(zhì)中,那么n只與這一種介質(zhì)有關(guān),即

以上設(shè)計(jì)主要是出于對(duì)折射定律普適性和學(xué)習(xí)意義的考慮.僅憑一組數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)就得出折射定律和折射率概念,顯然是不科學(xué)的.需要通過一定數(shù)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到sinθ1/sinθ2可以反映物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì),用來物質(zhì)鑒定和材料開發(fā)等,所以有必要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到將它定義為折射率是很有意義的.另外,作為介質(zhì),空氣不如水和玻璃來得直觀,如果只演示光從空氣射入到水或玻璃時(shí)發(fā)生的折射現(xiàn)象,學(xué)生很難理解折射與兩種介質(zhì)都有關(guān)系,從而難以理解相對(duì)折射率、光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)等概念,不易突破從“相對(duì)折射率過渡到絕對(duì)折射率”時(shí)的思維障礙.

4 全反射及光纖通信

(1)全反射實(shí)驗(yàn)教學(xué).

利用如圖4所示的器材組織定量的分組實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生自主探究光在玻璃和空氣的界面上發(fā)生的全反射.如圖8所示,用上述自制的演示儀來演示光在“水和空氣”及“玻璃和水”的界面上發(fā)生的全反射現(xiàn)象.為加深對(duì)全反射產(chǎn)生條件及臨界角的理解,可以在得出結(jié)論后,通過“紅光與綠光”的對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究臨界角與折射率的定量關(guān)系.

圖8

(2)制作光纖通信演示裝置.

光纖通信演示裝置由兩部分組成:其中激光筆和手機(jī)串聯(lián)起來接入電池,組成信號(hào)發(fā)射部分;太陽能電池板和便攜式揚(yáng)聲器串聯(lián),組成信號(hào)接收裝置.［2］如圖9(a)所示,把聲音信號(hào)加載到激光器上,將其轉(zhuǎn)化為光信號(hào)向外發(fā)射.如圖9(b)所示,利用太陽能電池板接收光信號(hào),把光信號(hào)還原成包含聲音信息的電信號(hào),輸入到便攜式擴(kuò)音器中進(jìn)行播放,就能實(shí)現(xiàn)激光通信了.

圖9

(3)光纖通信教學(xué)建議.

如何有效地引入光纖通信教學(xué)呢？如圖10所示,可通過由直到曲的漸進(jìn)方式來引入,其中量筒和彎曲玻璃管中的物質(zhì)為豆奶和水形成的膠體.手機(jī)里播放的音樂竟然通過光纖傳到了喇叭里,學(xué)生無不驚嘆.由此可知,盡管光纖已經(jīng)進(jìn)入了尋常百姓家,對(duì)于學(xué)生“全反射和光纖通信”還是非常神秘的.通過演示光纖通信,可使抽象的全反射和聲光電轉(zhuǎn)換變得生動(dòng)和親切,讓學(xué)生體驗(yàn)物理學(xué)“照亮世界”的無窮魅力.

圖10

5 用實(shí)驗(yàn)輔助光路分析

畫光路圖時(shí)往往需要根據(jù)光的反射、折射和全反射規(guī)律進(jìn)行定性和定量的分析.利用實(shí)驗(yàn)輔助光路分析,實(shí)施循序漸進(jìn)的教學(xué)是很有必要的.自制激光源可以產(chǎn)生清晰明亮的光路,并能直接觀察到玻璃下面的光路,看到光在每一個(gè)界面上發(fā)生折射和反射時(shí)的情景,能用來輔助發(fā)生多次折射和反射時(shí)的較為復(fù)雜的幾何光學(xué)實(shí)例分析.

首先提出任務(wù):請作出平行光通過凸透鏡(或凹透鏡)的光路圖.然后,用兩支自制激光源進(jìn)行演示,如圖11(a)所示.絕大部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己沒有畫出反射光線,此時(shí)應(yīng)該及時(shí)提醒學(xué)生:在某一界面同時(shí)發(fā)生反射和折射時(shí),入射角增大時(shí)反射光線會(huì)隨之增強(qiáng),而折射光線則隨之減弱;當(dāng)入射角大于等于臨界角時(shí),會(huì)發(fā)生全反射,此時(shí)折射光線消失.在初中階段不畫反射光線是因?yàn)閷?duì)于薄透鏡反射光線相對(duì)較弱,并不是因?yàn)闆]有反射光線.

圖11

接著要求學(xué)生作出光通過全反射棱鏡時(shí)的光路圖,如圖11(b)所示.吃過上次問題的“虧”,學(xué)生定會(huì)謹(jǐn)慎分析,當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)自己所作的圖與教師的演示一致時(shí),喜悅之情溢于言表.此時(shí)應(yīng)該及時(shí)鼓勵(lì),并進(jìn)一步提高難度,讓他們嘗試作出光線通過不均勻蔗糖水時(shí)的光路圖.如圖11(c)所示,先往槽中倒入適量清水,然后通過長頸漏斗向容器底部緩緩注入事先配好的濃糖水,無需靜置即可演示.

教師提問:光在這種不均勻的介質(zhì)中也沿直線傳播嗎？

學(xué)生搖頭:“會(huì)發(fā)生彎曲.”

追問:“往哪個(gè)方向彎曲？試試看？”

絕大部分學(xué)生會(huì)根據(jù)糖水濃度的變化,判斷出光將發(fā)生大角偏折,但只有其中的小部分注意到當(dāng)入射角增大到一定程度后可能發(fā)生全反射,此時(shí)光向左下方做小角偏折.

演示實(shí)際光路,做必要的肯定、鼓勵(lì)和交流后,提出更難的問題:要求作出光通過等邊三棱鏡時(shí)的光路圖,如圖11(d)所示——有些較弱的光線現(xiàn)場能看到,但照片中沒有體現(xiàn)出來.

以上教學(xué)設(shè)計(jì)力圖符合學(xué)生的思維水平,達(dá)到“跳一跳方可摘到思維的果實(shí)”之功效,讓學(xué)生在體驗(yàn)失敗和成功的過程中,培養(yǎng)其敢于挑戰(zhàn)、善于思考的學(xué)習(xí)品質(zhì).

1 浙江大學(xué)光學(xué)儀器廠.激光光學(xué)演示儀［P］.中國專利:94210553.2,1995－03－29.

2 曾裕,余杰.科學(xué)器材在物理教學(xué)中的“天然”價(jià)值——以“光導(dǎo)纖維”的探究式教學(xué)為例［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考,2013(11):17－19.