自制水位報警裝置與光的折射定律

馬麗 徐曉梅 陳偉 李月梅

[摘 要]光的折射定律是初中光學(xué)的重要知識，人教版教材以學(xué)生溺水這一問題為情境引出光的折射定律。受此啟發(fā)，設(shè)計并制作了一個水位報警裝置，使折射現(xiàn)象、折射規(guī)律可視化;另外，運(yùn)用光的折射定律能很好地解釋教材中提出的“岸上看水塘中的水，會覺得水淺”的問題，警示學(xué)生在水塘邊要注意安全。

[關(guān)鍵詞]自制水位報警裝置;光的折射定律;生活物理

[中圖分類號]? ? G633.6? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0055-02

光的折射定律是初中光學(xué)的重要知識，也是后面學(xué)習(xí)凸透鏡成像和眼睛等知識的基礎(chǔ)。在人教版八年級上冊物理教材中，以“清澈見底、看起來不過齊腰深的池水，實際上，卻因看到的深度與池水實際深度不一致而引發(fā)溺水問題”為情境，引入折射定律的學(xué)習(xí)。這對剛接觸物理的初中生來說，該導(dǎo)入環(huán)節(jié)相對抽象，不易于理解。為此，制作水位報警裝置作為該現(xiàn)象的演示教具，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識并理解光的折射定律，并借此輔以游泳安全警示教育。

一、裝置原理與制作

（一）裝置原理

根據(jù)光的折射定律，有效利用水槽、報警系統(tǒng)、Arduino UNO控制串口屏、激光發(fā)射器等器材，設(shè)計制作水位報警裝置，用此裝置演示光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)的現(xiàn)象。在水槽未加水時，調(diào)整激光束，使其照射在接收器A上，屏幕顯示“安全水位”。當(dāng)水槽加水到一定深度后，激光束照射在接收器B上，串口屏顯示“水深危險”，同時報警系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲。

（二）裝置制作

1.所需器材

玻璃水槽一個（35 cm×10 cm×20 cm），1.0 mmPVC玻璃板一塊（35 cm×10 cm），四根6 cm長的金屬銅柱，報警電路裝置一套[5 V無源蜂鳴器一個、100 Ω限流電阻一個、激光接收器兩個（紅綠藍(lán)紅外光激光接收器：400 nm ∽ 1100 nm）]，Arduino UNO R3開發(fā)板一塊，液晶串口屏一個（5 英寸 5 V），激光發(fā)射器一支（lase-303@sy），導(dǎo)線若干，數(shù)據(jù)線兩根，手機(jī)支架兩個等。

2. 報警裝置的制作

（1）在長方形透明玻璃水槽的底部分別焊接4根銅柱做腳架。

（2）距水槽底部5 cm處將透明PVC玻璃板與水槽腳架粘接，玻璃板上放置激光接收器、Arduino UNO、報警電路裝置。

（3）調(diào)整并固定激光發(fā)射器位置，當(dāng)水槽未注水時，激光束照射到水槽底部的光點(diǎn)，設(shè)為光在空氣中傳播的接收點(diǎn)A。當(dāng)水加到預(yù)設(shè)深度時，激光束照射到水槽底部的光點(diǎn)設(shè)為接收點(diǎn)B，并將此時的水位定為“水深危險”的報警水位。

（4）將接收器分別放在接收點(diǎn)A、B的位置，用金屬薄片固定在玻璃板上。為了讓演示實驗操作簡便（不受光波段位影響），選擇400 nm ∽ 1100 nm激光接收器。

（5）液晶串口屏制作

①首先要在電腦上制作三張用于屏幕顯示的字幕圖片，分別是開機(jī)頁面（默認(rèn)為全屏黑色）、“安全水位”綠色字幕、“水深危險”紅色字幕。

②利用與液晶屏幕配套的VGUS串口屏開發(fā)工具，將已經(jīng)制作好的三張圖片通過下載器按順序下載到串口屏中，編號依次設(shè)置為0000H、0001H、0002H。

（6）硬件電路設(shè)計

在激光接收器旁安裝Arduino UNO開發(fā)板作為整個報警系統(tǒng)的MCU（微控制器），它是整個裝置的核心部分，負(fù)責(zé)處理水位信號、控制串口屏顯示并觸發(fā)報警電路。當(dāng)激光照射到接收器上的A受光圓孔時，內(nèi)部的繼電器從常閉端口打到常開端口，同時指示燈熄滅。當(dāng)激光照射到接收受的B受光圓孔時，這時Arduino UNO開發(fā)板上的引腳就能采集到激光接收器的到位信號，從而觸發(fā)報警電路，讓蜂鳴器報警，并且控制串口屏顯示不同的字幕信息。整個硬件電路的設(shè)計原理如圖1所示。

（7）對 Arduino UNO軟件程序源碼編程，設(shè)計裝置的水位報警程序。

（三）裝置制作影響因素分析

由于激光接收器不具防水性能，無法安裝在水槽內(nèi)底。若將激光接收器A、B安裝在水槽外，需考慮光經(jīng)過水槽底部玻璃的幾何距離和玻璃到空氣折射偏向角的大小。

鑒于激光接收器上的受光圓孔有一定大小，調(diào)整激光發(fā)射器位置，將激光束入射角固定在46°～55°范圍內(nèi)。測得水的折射率為1.33，玻璃的折射率為1.51，可據(jù)斯涅耳定理計算折射偏向角[θ]（折射偏向角為入射光線的延長線與折射光線夾角的絕對值：[θ=i'-γ]）和光在玻璃中的幾何距離[L]（[L=d/cos i']），計算出折射偏向角[θ]的范圍：注水前為17.7°～22.4°，注水后也為17.7°～22.4°;光在玻璃中幾何距離L的范圍：注水前為0.93 cm～1.06 cm，注水后為0.57 cm～0.59 cm。（圖2、3所示為入射角[α=50°]時注水前后的光路圖和演示效果圖）

綜上所述，激光接收器安裝在水槽外部對報警裝置注水前后的演示效果影響非常小，可以忽略不計。

二、水位報警器裝置功能與教學(xué)演示

（一）裝置功能

當(dāng)水槽里沒有水時，激光發(fā)射器發(fā)出的激光束直射到激光接收器A上，Arduino控制串口屏顯示“安全水位”;而注水后，隨著水位的升高，光路發(fā)生偏折，激光束的照射點(diǎn)將逐漸朝激光接收器B的方向移動，當(dāng)激光照射點(diǎn)恰好落在接收器B上時，水位達(dá)到預(yù)設(shè)警戒位置，此時Arduino便觸發(fā)報警電路，驅(qū)動蜂鳴器報警，控制液晶串口屏顯示“水深危險”。

（二）教學(xué)演示

教師可借助投影儀，讓學(xué)生分別從水槽正前方和側(cè)上方觀察注水前、后及注水過程的光路變化情況。

當(dāng)水槽中的水加到警戒位置時，人從水槽側(cè)上方觀察，看到“池水”很淺，但水位報警器已經(jīng)發(fā)出蜂鳴聲，且屏幕顯示“水深危險”，轉(zhuǎn)向正前方觀察時，就可以看到水位已經(jīng)達(dá)到警戒線，射入水中的激光束光路出現(xiàn)明顯的偏折，池底（P點(diǎn)）反射的光線經(jīng)過水到空氣后進(jìn)入人眼，我們以為光線是直線進(jìn)入人眼，即誤認(rèn)為池底在P′點(diǎn)處，因此認(rèn)為水位較淺，如圖4所示，但實際水深卻遠(yuǎn)比“看到”的水深要深得多，猶如人站在“岸上”，單憑肉眼很難分清池水的深淺，看起來很淺的水，卻很容易發(fā)生溺水事故。利用此教具解釋“潭清疑水淺”的生活現(xiàn)象，可幫助學(xué)生認(rèn)識并理解折射定律。

（三）教具優(yōu)點(diǎn)

該報警裝置制作材料易于獲取，安裝與操作比較方便，演示折射現(xiàn)象明顯直觀，容易吸引學(xué)生的注意力。裝置不僅可以用于光的直線傳播的復(fù)習(xí)、光的折射新課導(dǎo)入、光的折射定律演示和探究，還可對學(xué)生輔以安全教育。

三、結(jié)語

光的折射實驗教具有很多不同的制作方式，在課堂教學(xué)中，需考慮學(xué)生的認(rèn)知程度和生活背景。因此教師應(yīng)當(dāng)多研究教材內(nèi)容，發(fā)掘與學(xué)生生活相關(guān)的物理知識和問題，這樣才能設(shè)計出既能將物理規(guī)律解釋得清楚明白，又能夠引起學(xué)生興趣的教具，從而輔助教學(xué)工作。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 人民教育出版社，課程教材研究所.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：81-84.

[2]? 董霞.“魚在哪里”中學(xué)物理教學(xué)中的折射解析[J].物理教師，2013（11）：59-60+62.

（責(zé)任編輯 易志毅）