水流模擬光導(dǎo)纖維通信傳播教具制作

陳睿 郭慶

摘 要：科學(xué)教育出版社物理選修《光的全反射》中，應(yīng)用簡單的實驗——半圓形玻璃磚，向?qū)W生介紹了光的全反射，在新課程標(biāo)準(zhǔn)理念的指導(dǎo)下，我們選取簡單的器材制作出能夠演示光的反射與光導(dǎo)纖維信號傳播的教具，向?qū)W生直觀演示光的全反射。

關(guān)鍵詞：全反射；新課程標(biāo)準(zhǔn)；光導(dǎo)纖維傳播；流水束

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）6-0060-2

1 傳統(tǒng)演示實驗

在科學(xué)教育出版社物理選修《光的全反射》中，為了讓學(xué)生更好地理解光的全反射現(xiàn)象，通過演示用激光沿透明半圓柱形玻璃磚的半徑射到直平面上，光經(jīng)過平面由玻璃進入空氣中，入射角從小到大不斷改變，向?qū)W生介紹光的折射以及光的全反射。

（1）當(dāng)激光沿半徑垂直入射到直平面時，此時入射角為0 °，折射角也為0 °，光線沿直線射出。

（2）當(dāng)入射角增大一些時，會有微弱的反射光和較強的折射光線。同時，可觀察出反射角等于入射角，折射角大于入射角。

（3）隨著入射角的逐漸增大，反射光線越來越強，而折射光線減弱，當(dāng)入射角增大到某一“臨界角度”時，折射角達到90 °，折射光線消失，只剩下反射光線，若繼續(xù)增大入射角，仍然只有反射光線，沒有折射光線（見圖1）。這就是當(dāng)光線從光密媒質(zhì)射入光疏媒質(zhì)時經(jīng)常發(fā)生的“全反射現(xiàn)象”。

2 演示光導(dǎo)纖維傳播實驗教具制作方案

根據(jù)新課標(biāo)對教學(xué)的要求，課堂上不僅應(yīng)該讓學(xué)生掌握好全反射的知識，而且也應(yīng)當(dāng)了解該知識的重要應(yīng)用。在教材中，有全反射的應(yīng)用——光導(dǎo)纖維的講解，我們進一步參照互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上查詢的相關(guān)知識，采用生活中常見的器材，創(chuàng)建了一個實驗環(huán)境，使之能夠達到發(fā)生全反射的條件。因為當(dāng)激光在玻璃、水等光密介質(zhì)中傳播并向空氣出射，可以達到全反射所需條件。因而可以用水流束模擬光導(dǎo)纖維管，用激光照射，激光在水流內(nèi)發(fā)生全反射并向前傳播，以此模擬光導(dǎo)纖維管內(nèi)激光的通信傳播（圖2）。

所需實驗器材包含三腳架1個，試管夾2個，塑料瓶（帶孔）1個，激光筆1只，水槽1個，黑紙板、白紙若干。

用三腳架固定塑料瓶（帶孔）和激光筆，調(diào)節(jié)兩者的相對高度，使激光入射并能夠能從小孔出射。水槽接收塑料瓶流出的水，立體白板接收激光投影，以便觀察實驗現(xiàn)象（如圖3）。

3 利用新教具進行實驗

結(jié)合全反射內(nèi)容知識可以知道，當(dāng)激光從小孔另外一端水平入射時，如沒有水，則在均勻介質(zhì)中應(yīng)該沿著水平出射。由于水流呈拋物線流下，在光準(zhǔn)備從小孔的水流出射到空氣中時，也就是從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)出射，而入射角已經(jīng)超過“臨界角度”了，達到了發(fā)生全反射的條件，所以激光束將發(fā)生全反射。故從理論上來講，在水流中的激光將呈折線傳播。結(jié)合實驗裝置我們可以觀察到激光在水流中的傳播（見圖4）。

（1）激光入射后，流水束因為有少量激光的散射由無色變成紅色；

（2）激光入射后，激光傳播到水槽中，水槽內(nèi)有一紅色亮斑；

（3）激光入射后，立體白板有投影，隨著水流彎曲度的變化，激光的傳播路徑也隨之變化（見圖5）。

通過實驗現(xiàn)象看出，本實驗可以很好地 詮釋全反射現(xiàn)象的重要應(yīng)用，并讓學(xué)生明白利用光纖可以使光訊號沿曲線傳播。

4 總 結(jié)

通過自己動手教具的設(shè)計和制作工作，同學(xué)們能認(rèn)識到物理知識并不是死板的知識點、考點，而是能夠通過自己的想法、設(shè)計使之制作成有意義的作品的。并且，物理現(xiàn)象的應(yīng)用和日常生活都是緊密相關(guān)的。

（欄目編輯 王柏廬）