環(huán)保型立體激光幾何光學(xué)演示儀

解忠良

項目摘要

環(huán)保型立體激光幾何光學(xué)演示儀使用多束立體平行綠色激光作為光源，以水霧作為顯示激光束的參照背景，與傳統(tǒng)的使用平面平行紅色激光作光源、利用煙霧當(dāng)作顯示激光束參照背景相比，不僅能夠從多個角度演示幾何光學(xué)實驗，而且更為綠色環(huán)保無污染。同時，綠色激光模組與水霧二者結(jié)合起來使用，光路顯示效果更為清晰明顯，顯示時間更快、教學(xué)效率更高。環(huán)保型立體激光幾何光學(xué)演示儀不僅能夠完成初中幾何光學(xué)的全部實驗演示，而且能夠演示高中的全反射實驗，因此適用于進行小學(xué)科學(xué)和初高中物理的幾何光學(xué)演示實驗，也適用于學(xué)生進行幾何光學(xué)的實驗探究。

項目研究過程

研究背景

在進行幾何光學(xué)演示實驗和分組實驗中，傳統(tǒng)的教學(xué)儀器是使用平面平行紅色激光作為光源，使用煙霧（蚊香或者香煙點燃后的煙霧）作為顯示激光束的參照背景，為收集煙霧，還要制作一個暗箱。該類裝置煙霧生成慢、不宜捕捉且容易污染環(huán)境；紅色激光束在煙霧暗箱中顯示出的光路也比較暗淡，不夠清晰。因此，我產(chǎn)生了以立體多束平行綠色激光模組代替紅色激光作為光源、以水霧代替煙霧作為顯示光路的參照環(huán)境的想法，在制作教具前的測試中效果極佳。

制作組裝

教學(xué)儀器演示箱用有機玻璃加工制作而成，長550mm，寬110mm，高280mm，下有底座，上無蓋。

用直徑50mm，高280mm有機玻璃管制作成霧化箱，霧化器放入霧化箱內(nèi)，上有蓋，蓋上加風(fēng)扇，霧化箱中間開孔，小孔連接管道輸入到演示箱體內(nèi)，霧化后的水汽經(jīng)由此管道吹入演示箱內(nèi)。

制作由1束綠色激光組成的立體平行光源。

制作多束綠色激光光源。

鐵質(zhì)光具盤放入演示箱體內(nèi)。

制作底座，把電子線路及開關(guān)等配件集成在底座內(nèi)。

演示儀的改進

演示儀經(jīng)過了四代的改進。第一代作品，使用玻璃制作演示箱體，見圖1；第二代作品，使用有機玻璃制作演示箱體，演示箱內(nèi)左側(cè)為霧化器設(shè)備，箱體內(nèi)有光具盤；第三代產(chǎn)品在第二代的基礎(chǔ)上進行改進，加裝獨立的霧化設(shè)備；第四代產(chǎn)品使用了多束立體平行激光光源，激光光源的電子線路集成在底座內(nèi)，見圖2。第四代作品能夠演示更多的實驗。

實驗演示

使用第四代產(chǎn)品不僅可以演示初中物理幾何光學(xué)的全部實驗，還可以演示高中全反射實驗，見圖3。此外，使用專用的激光配件，還可以演示光在不均勻的同種介質(zhì)中的傳播和立體光束通過透明圓柱體的折射現(xiàn)象，見圖4。

項目應(yīng)用的科學(xué)方法及科學(xué)原理

霧是由空氣中的水汽凝結(jié)成的小水滴形成的，當(dāng)激光照射在這些小水滴上面的時候，就會顯示出明顯的光束，這是由光的漫反射造成的。本教學(xué)儀器就是利用光的漫反射原理，以水霧作為顯示光束的參照背景，顯示出綠激光模組的激光束，配以光具盤和光學(xué)透鏡，完成光學(xué)實驗的演示。

項目創(chuàng)新點或改進點

環(huán)保型立體激光幾何光學(xué)演示儀與傳統(tǒng)光學(xué)教學(xué)儀器相比，以立體多束平行激光作光源，代替平面平行光源，能夠演示更多的光學(xué)實驗；以水霧代替煙霧作為顯示光路的參照背景，具有綠色環(huán)保無污染、易捕捉等優(yōu)勢，以及操作簡單、等待時間短、持續(xù)時間長、演示效果清晰等優(yōu)點。使用綠色激光器作為光源，比傳統(tǒng)的紅色激光器演示效果更佳。

項目使用情況及進一步完善的設(shè)想

環(huán)保型激光幾何光學(xué)演示儀不僅能夠演示初中幾何光學(xué)的全部實驗，而且能夠演示高中的全反射實驗，在學(xué)校課堂教學(xué)中得到了學(xué)校教師的高度評價，并對使用該教學(xué)儀器與使用傳統(tǒng)的教學(xué)儀器的實驗教學(xué)進行了對比，使用該教學(xué)儀器的學(xué)生對知識點的掌握達到了100%。教師在應(yīng)用中也提出了改進建議，希望該儀器應(yīng)向集成度更高、操作更簡便的方向改進。因此，在進一步的完善中，計劃使用3D打印技術(shù)制作出更便于使用的配件，并且增加自動化功能，使用單片機控制，使整套教學(xué)儀器集成度更高，操作更為簡單易行。

專家評語

該項目制作了環(huán)保型立體激光演示儀，使用多束立體平行綠色激光作為光源，以水霧作參照背景，能夠演示多個幾何光學(xué)實驗。該項目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。項目資料齊全，研究報告書寫規(guī)范。希望該項目在教學(xué)設(shè)計方面作出改進和提升。