光学实验器材的改进与创新设计，本文主要内容关键词为：光学论文,器材论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、设计思想
在光学教学中，有大量的探究实验活动，而现有的光学实验器材存在以下几个方面的不足：1.显示出的光路可见度差；2.在探究光的反射规律和折射规律时，入射光的入射点不固定，这样，入射角的大小不仅不能定量读出，而且还无法探究光的折射现象中入射光线和折射光线在同一平面这一知识要点；3.在探究凸面镜和凹面镜、凸透镜和凹透镜对光的会聚与发散作用时，平行光束的平行度不高。
针对以上几个方面的不足，我对光学实验的组合器材进行了如下几个方面的创新设计和改进：1.光源采用红色激光（玩具激光笔），它具有可见度高，光的平行性好的优点，仅用一个白色的背景光屏（直径为30cm的圆铝板）即可很明显地显示出光路；2.光源采用三只激光笔，可同时发出三束平行光束，对光的汇聚和发散作用进行探究；3.固定入射光的入射点，使入射光线的位置可任意改变，把背景光屏分成四个区并标出角度值，这样可以直接读出入射角、反射角和折射角的大小，直接说明在光的反射现象和折射现象中，反射角、折射角与入射角的关系；4.将背景光屏从中间切割成两部分，其中一半固定，另一半可绕一中心轴转动。当把装置放入水中时，可探究光的折射规律，通过转动背景光屏即可探究入射光线与折射光线的位置关系（三线共面和二线分居）。
二、装置的结构
装置的结构如图1所示：光源、背景光屏（左半部分可以中间线为轴转动）、长方形水槽、底座、组合配件（平面镜、凸面镜、凹面镜、凸透镜、凹透镜，见图2）
三、演示实验及现象
演示一 光在同种均匀介质中沿直线传播：把装置放入水槽中，让三束激光分别在水中、空气中和玻璃中传播，并观察光路。
图1 装置结构
图2 组合配件
演示二 光的反射及光的反射定律：在中心处放上一面平面镜，并与界面线重合，可观察光的反射现象，用通过圆心的一束光可探究光的反射定律（图3见下页）；若把平面镜换成凹面镜（或凸透镜）和凸面镜（或凹透镜），可观察它们对光的会聚和发散作用（图4、图5、图6、图7见下页）。
演示三 光的折射及折射规律：把装置放入水中，让背景光屏的界面线与水面齐平，其中一半在水中，可观察光在水中的折射现象，采用通过圆心的一束光可探究光的折射规律（图8见下页）。
演示四 光的全反射：把装置放入水中，让背景光屏的界面线与水面齐平，同时让光从水中射向空气，可观察光在水中发生的全反射现象（图9见下页）。
四、制作方法及材料
光源 采用玩具用红色激光笔。先对激光进行扩束（在激光发射头装上圆柱形玻璃棒），让光束扩展成一平面光（光面与背景屏平面垂直），这样，可以在白色背景光屏上显示出光路。3支激光笔用一单刀双掷开关控制，可同时发光或只有中间1支激光笔发光。3支激光笔固定在一铁片上，铁片可以背景光屏的圆心为轴转动，让发出的三束激光平行，且中间一束始终通过圆心。激光头用密封胶密封，可以使激光头放入水中，电源和开关通过导线与3支激光笔连接，结构如图10所示。
图3 光的反射
图4 凸面镜对光的发散作用
图5 凹面镜对光的会聚作用
图6 凸透镜对光的会聚作用
图7 凹透镜对光的发散作用
图8 光在水中发生折射
图9 光在水中发生全反射
图10 光源制作图
背景光屏 将厚1mm的铝板切成直径为30cm的圆形，从圆心处分割成两半，背面用万能胶黏上合叶，让其中一半固定在底座上，另一半以分割钱为轴自由转动，在靠中心处黏上圆形磁铁扣（用以吸附配件）；正面以白色为底色，用黑色油漆分成四个区，每个区域中分别描出0°～90°的角度值（图11）。
图11 背景光屏制作图
组合配件 方形水槽：用透明塑料板制作，规格为长35cm×宽15cm×高20cm；其他配件根据需要选择。
五、本设计制作的创新之处
1.采用红色光源，对光束进行扩束，通过背景光屏可显示出光路，观察效果明显。
2.利用背景光屏可直接显示出入射角、反射角、折射角的大小；入射光线的入射点固定（即光可绕一个固定点转动），不仅可以明显显示出反射角、折射角随入射角的变化关系，而且入射光线的改变可在180°范围内进行，能很好地说明反射光线、折射光线分居在法线的两侧，同时还可以演示光路的可逆性。
3.这套演示器材很好地解决了以往器材无法演示折射光线与入射光线在同一平面这一难点，而且折射现象的效果也极为明显。
4.整套装置制作成本低，有很大的推广价值，且操作简便，有利于学生进行探究性实验。
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