全反射演示仪的设计与制作，本文主要内容关键词为：全反射论文,演示论文，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。
一直以来，有关光的演示实验常令许多教师望而却步，主要原因是受自然光影响而存在实验现象难以调节、实验结果不明显等缺陷。在“光的全反射”一节中，如何直观地展示光的全反射是该节实验教学的重难点。为此，笔者在研究了多款演示仪的基础上，设计、制作了一款改进的水中光的全反射现象演示仪。该演示仪与其他同类演示仪相比，在光源选择、光源入射角度、仪器尺寸、法线、传播介质处理等方面进行了改进，力求在方便教师演示和讲解的同时，也能让所有学生观察到直观明显的实验现象，以达到帮助学生从视觉方面直观地认识光的全反射现象和探究全反射发生条件的目的。 一、全反射演示仪的设计 笔者发现，要同时满足教师的教学和学生的观察两个条件，全反射演示仪必须满足3个设计要点：一是在自然光下可观察到清晰的光路。受自然光的干扰，如不在光学暗室中进行实验，实验现象必然不明显。因此，需要用到大功率的激光笔，且以绿色激光笔为最佳，同时利用介质中杂质微粒的散射来直接显示光路。二是确保所有学生都能观察到实验现象，而这需要实验仪器尺寸够大，既能满足学生观察的需要，又能保证实验的顺利进行。三是保持实验现象明显，方便教师一边讲解一边演示，而这需要有一个合适装置固定光源，且可进行角度调节。 根据以上设计要点和前人研究成果，笔者在制作过程中进行了调整。图1为该实验装置的设计简图。
该演示仪主体装置为一个盛水的玻璃缸，其规格为长50cm、宽15cm、高30cm，上端开口。该玻璃缸尺寸足够大，既能保证全班学生看到明显的实验现象，又能满足实验需要，同时也能避免仪器过大所造成的搬运不便。玻璃缸上端安置一块中间有导轨槽的木板，激光笔可在导轨槽中左右移动，其发出的红光充当法线。玻璃缸右边为一个旋转臂，将一支大功率激光笔套置其中，其发出的绿光为入射光线，且随着旋转臂在竖直方向的转动可实现光线以不同角度入射。 二、全反射演示仪的制作材料及制作方法 1.制作材料 玻璃缸、木块和木板、泡沫型防水黑纸、蚊香、打火机、牛奶溶液、激光笔（绿光和红光）、水、小水槽、透明胶、玻璃胶、双面胶、白乳胶、透明薄膜、螺母若干。 说明：实验用的玻璃缸可取家用的鱼缸或到玻璃器皿店选购合适尺寸的玻璃缸。值得注意的是，为了最大限度地减弱自然光对实验的影响，除正面外玻璃缸的底部和其余三面均贴上泡沫型防水黑纸。这样做的好处是，既能营造一个相对黑暗的环境，又能防止光线在其上进行反射，扰乱实验现象。 2.制作方法 取一片长木条和一块可以盖住玻璃缸上部的木板，用乳白胶将木条固定在木板上，中间凿空，类似“回”字形，对应位置覆盖上一层透明薄膜，以备光线能透过薄膜入射，由此制作出了导轨槽。取一块短木块，凿穿并刚好可以放入一支激光笔，同时取两块刚好可以放入导轨槽的木块，用其从两边夹住放置激光笔的木块并固定，此时从上往下看呈“十”字形，该滑块可带动激光笔在导轨槽中左右移动，如图2所示。
取一长一短的两块木条制成一个“7”字形的臂，在长端尾部凿出一个圆孔，穿入螺母并固定在一块平整的木块上。接着，在短端尾部凿出一个刚好可以放入一支激光笔的圆孔，则旋转臂就制成了。 三、全反射演示仪的创新点 1.利用大功率绿色激光凸显实验现象 该实验成功的关键在于使用了大功率绿色激光。相比红色激光，绿色激光具有非常直观的可见强光束，其光束明亮，抗杂光干扰性强。在水介质中，绿色激光吸收长度远长于红色激光，所以其在水中的能量损耗更小。当使用大功率绿色激光时，即便是在白天明亮的教室中，学生也能观察到明显的实验现象，大大提高了演示效果。 2.具备足够大的尺寸 实验用的玻璃缸长50cm、宽15cm、高30cm，既能保证实验条件的要求，确保坐在教室中间和后排的学生均能观察到明显的实验现象，同时也避免了因仪器过大造成的搬运不便。 3.以激光笔发出的光线为法线，并设置移动导轨 为帮助学生更好地辨识入射角、反射角、折射角的大小关系，实验过程需要设置一个参照物。演示时由于激光入射角度的改变，使光束射在界面上入射点的位置也在变动。若在水槽前面板上标出固定的角度分度值，则入射光线必须始终对准角度盘的圆心处。但在该实验装置的设置中是不可能完成的，这是基于该实验装置采用活动式法线，以激光笔发出的红光作为法线，并设置移动的导轨，既充分考虑了教师做演示实验时的方便性和准确性，节约了演示时间，又方便了学生比较入射角和折射角的大小关系。 4.设置旋转臂，改变入射光方向 改变传统的教师直接用手进行演示的方式，既方便了教师调节入射角度，保持实验现象，又节省了实验时间，更可防止因直接操作带来的找不到合适的入射方向、过快得出实验结果、光线抖动等问题。 四、全反射演示仪的演示效果 为了便于观察光线，可利用丁达尔效应解决，即实验前在水中加入适量的牛奶用于显示入射和反射光线，在水面上方加入烟雾用于显示折射光线。在进行该类处理时应当注意，水中杂质微粒会耗散光束能量，杂质越多耗能愈甚，将大大缩短光束的传播距离。由试验可知，罐装液体纯牛奶是最好的选择，加入量约为4～5滴，水上烟雾则由蚊香产生，演示实验前5min放入烟雾效果最佳。 改进后的全反射演示仪器如图3所示，入射光线、折射光线和反射光线均十分清晰。若调整旋转臂，可实现光从空气入射水中及光从水中出射到空气中的实验过程。另外，对折射现象和全反射现象均能进行演示。限于篇幅，这里不再展开描述。
该演示仪实验现象明显，操作方便，对教师的教学和学生的观察都能起到很好的辅助作用。
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