多功能可控一體化光學(xué)教學(xué)儀器的制作及演示

金慶辰 張婷婷 姜鎣 吳佳芮 朱鵬飛

摘? ?要：文章介紹一種自制的一體化光學(xué)儀器。該儀器能夠?qū)⒍喾N光學(xué)實驗集中一體展現(xiàn)出來，從中還能進行比對和測量，方便教師教學(xué)和學(xué)生觀察學(xué)習(xí);同時一體化的結(jié)構(gòu)也方便攜帶運輸和收納。該儀器的設(shè)計以光學(xué)實驗本質(zhì)，即光源—介質(zhì)—現(xiàn)象為主體的理念作為基礎(chǔ)來探究光學(xué)實驗原理的不變性，以一體化的思想為基本制作方向來解決實際光學(xué)實驗演示的復(fù)雜和繁瑣問題。

關(guān)鍵詞：光學(xué)儀器;一體化;中學(xué)物理實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）10-0045-3

目前中學(xué)物理光學(xué)實驗儀器較為冗雜，給教師的實驗演示操作帶來麻煩。制作本光學(xué)教學(xué)儀器的目的在于簡化教師的操作過程，更直觀、簡單地完成課堂上各種光學(xué)實驗現(xiàn)象的演示。本文介紹了自制光學(xué)教學(xué)儀器的過程，闡述了該儀器的使用方法。

1? ? 教學(xué)儀器裝置

本光學(xué)儀器由滑道、光具座、光具盤、光學(xué)器件、透明外殼五部分組成（如圖1）。

1.1? ? 框體制作

1.1.1? ? 滑道

滑道由不銹鋼材料制成?；劳庑螢榭招娜庵?，底邊寬40 mm，滑道長1200 mm，足夠長的滑道以保證各種光學(xué)實驗得以順利進行（如圖2）。

1.1.2? ? 光具座

光具座采用底邊為160 mm、兩斜邊為196 mm的不銹鋼等腰三角形作為支撐，兩底角利用焊接技術(shù)連接與滑道相吻合的底座（如圖2）。

1.1.3? ? 透明外殼

長1200 mm，寬250 mm，高350 mm，采用有機玻璃材料，具有美觀、便攜、堅固、易觀察等優(yōu)點。

1.2? ? 光源盤、光具盤制作

采用白色硬塑材料，實現(xiàn)美觀與實用的雙重結(jié)合。圓盤配有8孔，用于搭載光學(xué)元件。

1.3? ? 組裝與調(diào)試

框架與滑道：在有機玻璃框架底面直接鑲嵌四角以固定軌道并保持其平穩(wěn)。將三腳架放置在軌道上，逐次在兩圓盤上分別安裝光源及光學(xué)元件，確保光線通過光學(xué)元件中心在光屏中心成像。

光具盤：單縫用黑色絕緣膠帶粘至2孔;兩個大小適合的凸透鏡用雙面膠直接固定在孔處;直徑較小的凸透鏡和凹透鏡利用泡沫固定安放在4、7孔;三棱鏡由于形狀特殊故利用泡沫及雙面膠粘連在6孔;偏振片由于需要調(diào)試角度故將其大小做成與圓盤相同放置旋轉(zhuǎn)軸上，為了突出角度變化在偏振片外圍粘貼刻度。

光源盤：激光筆用熱熔膠棒粘連，在粘貼過程中確保激光光線透過單縫形成衍射現(xiàn)象，平行光源在外圍纏有膠帶以固定在5、9孔，發(fā)散光源經(jīng)改進后用雙面膠粘連至4、8孔。調(diào)試過程中，激光筆對準(zhǔn)單縫，通過調(diào)節(jié)激光筆可以在光屏上承接到衍射圖像，旋轉(zhuǎn)光具盤使發(fā)散光對準(zhǔn)兩焦距不同的凸透鏡，通過調(diào)整光屏及光具盤的位置可以觀察到實驗預(yù)期現(xiàn)象;旋轉(zhuǎn)光源和光具盤，使平行光源對準(zhǔn)凸透境、凹透鏡，通過調(diào)整光屏及光具盤的位置可以觀察到實驗預(yù)期現(xiàn)象;手持激光筆照射三棱鏡，調(diào)整角度在光屏上可呈現(xiàn)七彩條紋;將兩偏振片安裝，通過旋轉(zhuǎn)其中一片以得出明暗變化與角度的關(guān)系。

2? ? 教學(xué)儀器工作方法

2.1? ? 凸透鏡成像規(guī)律演示

將光具盤置于凸-凹透鏡檔，光源盤置于發(fā)散光檔，打開光源，通過移動光屏和透鏡的位置，改變物距、像距，使物距u分別處于f2f，成像清晰后，記錄現(xiàn)象，總結(jié)凸透鏡的成

2.2? ? 凸透鏡焦距測量

2.2.1? ? 平行光匯聚粗測凸透鏡焦距

將光具盤置于凸-凸透鏡檔，光源盤置于平行光檔，打開光源，移動透鏡位置，直至光屏上呈現(xiàn)小亮斑，測量光屏到透鏡的距離，即為凸透鏡焦距。

2.2.2? ? 通過成像公式精測凸透鏡焦距

將光具盤置于凸-凸透鏡檔，光源盤置于發(fā)散光檔，打開光源，移動透鏡位置，成像清晰后，記錄光源盤、光具盤、光屏的位置，通過公式f=1/（1/u+1/v）計算焦距，進行多組實驗測量后取平均值（表2）。本教學(xué)儀器設(shè)置兩個透鏡，建議教師將一個透鏡用于演示，一個透鏡用于學(xué)生練習(xí)，鞏固知識。

2.3? ? 光的色散演示

將光具盤置于衍射-色散檔，用備品盒中的白光筆照射三棱鏡，在特定角度下照射，可以看見白光色散為七種顏色。建議教師讓學(xué)生參與其中，并感受色散與最小偏向角之間的關(guān)系，明確白光需要一定角度才能在三棱鏡中發(fā)生色散。

2.4? ? 單縫衍射條紋與縫寬關(guān)系的演示

將光具盤置于衍射-色散檔，光源盤置于激光檔。打開光源，可以看見衍射條紋，中央條紋最亮，同時也最寬。除了中央亮條紋外，屏上光強分布還有次級亮條紋存在。調(diào)節(jié)縫寬，可以驗證單縫衍射與縫寬的關(guān)系：縫寬越大，光強度（光的能量）越集中于中央條紋，所形成的圖線中央條紋窄而高;隨著縫寬進一步加大，衍射圖線的中央條紋將被壓縮成一條亮線，基本觀察不到衍射波形（圖7）。

2.5? ? 自然光偏振特點演示

使光具盤轉(zhuǎn)到偏振檔，將備品盒中的兩塊偏振片安裝到光具盤上，光源盤調(diào)到平行光檔，打開光源，轉(zhuǎn)動偏振片1并注意光具盤上二者夾角的度數(shù)刻度，可以觀察到0°～90°、180°～270°光強逐漸減弱，90°～180°、270°～360°光強逐漸增強;當(dāng)夾角為90°、270°時完全消光，當(dāng)夾角為0°、180°時完全不消光。

3? ? 結(jié)束語

多功能可控一體化光學(xué)教學(xué)儀器適用于現(xiàn)階段的中學(xué)物理教學(xué)，在演示實驗中現(xiàn)象直觀，操作簡單，所演示實驗種類全面，知識覆蓋廣，使學(xué)生對光學(xué)有更直觀、更清晰的認(rèn)識和更深刻的理解。同時，本教具以光學(xué)實驗本質(zhì)為出發(fā)點，將光源可變、介質(zhì)可變、現(xiàn)象隨之而變，唯一不變的是作為核心的光學(xué)原理本身的理念貫穿其中，通過水車式的設(shè)計控制變量，激發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生在實驗中體會到光學(xué)實驗真正研究的在變中求不變的意義。

參考文獻：

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[3]趙凱華.光學(xué) 新概念物理教程[M].北京：高等教育出版社， 2011.

（欄目編輯? ? 王柏廬）