神奇的光現(xiàn)象演示實驗 指導(dǎo)書

1、興趣·科學(xué)素養(yǎng)神奇的光現(xiàn)象演示實驗指導(dǎo)書主編：楊名宇南昌航空大學(xué)大學(xué)物理實驗中心2013年9月 實驗一 無弦豎琴演示目的：演示激光和光電效應(yīng)。物理原理：這里的“琴弦”是激光束，對應(yīng)著光敏電阻.手指“輕彈”光束,遮斷光路,改變了光敏電阻的電阻值。產(chǎn)生跳變的電壓信號,這個電壓信號就觸發(fā)相應(yīng)的電路開始工作。從而產(chǎn)生一個具有固定頻率的電信號,電信號經(jīng)電子合成器處理放大后,由揚聲器發(fā)出聲音。學(xué)生親自動手：學(xué)生輕輕的用手遮住光束,琴內(nèi)就會發(fā)出悅耳的聲音。遮住不同的光束，琴會有不同的音符發(fā)出.從而按照樂曲韻律，可以彈奏出美妙的音樂。 注意事項：1、若出現(xiàn)激光管不亮或琴沒有聲音時，請將電源斷掉，然后

2、重新打開電源。2、儀器若超過36秒無觸發(fā)信號則自動進(jìn)入待機狀態(tài),此時將電源開關(guān)重新開啟一次即可讓儀器重新工作。3、若某個光路無聲音發(fā)出，請將對應(yīng)的激光器上聚焦鏡頭微調(diào)，使之與下面光敏電阻對應(yīng)即可。實驗二 無限儲錢盒 一、演示目的演示凹面鏡成像現(xiàn)象。二、演示現(xiàn)象：投下的硬幣經(jīng)過一個比自己小一半的細(xì)孔，落在儲錢盒里，并能把錢變小。三、演示原理：利用凹透鏡成像原理，使得硬幣看起來比實際小。實驗三 萬花筒 一、演示目的 加深對光的反射成像原理的理解。二、實驗原理及操作：萬花筒利用平面鏡的成像原理制作，通過光的反射而產(chǎn)生影像。  萬花筒原理圖1816年，蘇格蘭物理學(xué)家大衛(wèi)·

3、布魯斯特爵士發(fā)明了萬花筒。布魯斯特主要從事光學(xué)和光譜研究，他在童年時代就十分喜歡光學(xué)實驗，一生中的大部分時間都用在了他所喜愛的光學(xué)上。一次，他在用多面鏡子研究光的性質(zhì)時，看到了幾面相對放置的鏡子里經(jīng)過多次反射呈現(xiàn)出來的景象，便放了一些花紙在鏡子組成的空腔里，結(jié)果，他看到了一些對稱的圖案，而且每變動一下花紙的位置，圖案就會變換一次。為了能使圖案不斷地變換，他將三面成角度的鏡子放在一個圓筒里，再將花紙放在筒端的兩層玻璃間。隨著三角鏡中鏡子的角度變化，影像的數(shù)目也隨之變化；影像重疊后形成各種圖案，不停地轉(zhuǎn)動萬花筒就可以看到不斷變換的圖案。就這樣他制作出了只要輕輕轉(zhuǎn)動就能看到不同圖案的萬花筒。萬花筒在

4、一夜之間便獲得了意外的成功。更有意思的是，一旦某個圖案消失了，要轉(zhuǎn)動幾個世紀(jì)才能出現(xiàn)同樣的組合，因此每一瞬都值得欣賞，每一秒都值得珍惜！萬花筒的發(fā)明被列入科學(xué)重大發(fā)明而載入史冊，博物館里也收藏有一些制作精美的萬花筒。由于萬花筒  萬花筒圖案既是美輪美奐的藝術(shù)作品，又是能培養(yǎng)思維和觀察能力的益智玩具，所以深受小孩子和成年人的喜愛，并在人們的手中不斷地翻新花樣。例如，有人在萬花筒里放上3040個像教堂塔尖一樣的玻璃小瓶，里面裝上油，在油里浸著玻璃粒、細(xì)珊瑚片、貝殼和沙粒。這些密封的小玻璃瓶一動，瓶里那些閃閃發(fā)光的微粒就會升降。除了這些東西以外，還可以放入扎緊的細(xì)絲線、馬鬃以及各

5、種螺旋形的、彎曲的小東西。這樣，使萬花筒轉(zhuǎn)動起來，就好像在欣賞一場精彩的芭蕾舞表演。實驗四 西漢透光鏡演示 一、演示目的： 演示銅鏡的“透”光。二、實驗現(xiàn)象：再現(xiàn)西漢時期的瑰寶西漢透光鏡。古人在日常生活中使用銅鏡時發(fā)現(xiàn)銅鏡還有“透光”的功能，即是指當(dāng)鏡面對著陽光向物體上反光時，可將鏡背的紋飾圖案映射到白色的物體上，古人稱之為“透光鏡”。實驗五 光纖傳像 一、演示目的 演示光纖的傳像現(xiàn)象。二、實驗原理及操作：利用光的全反射原理可以制作光導(dǎo)纖維，光纖由兩種不同折射率的透明物質(zhì)構(gòu)成，例如塑料光纖，它是一根折射率較高的塑料絲，在它的外表面包有一層折射率較低的塑料膜層。由于光纖里面折射率高，外面折射率低

6、，因此進(jìn)入光纖的光將發(fā)生全反射。光由光纖一端輸入，然后經(jīng)多次全反射由別一端輸出。由于全反射，損耗很小。實驗六 光纖花 一、演示目的 進(jìn)一步了解光纖傳光束的原理與應(yīng)用。二、實驗原理及操作：光由光纖一端輸入，然后經(jīng)多次全反射由別一端輸出。由于全反射，損耗很小。實驗七 光學(xué)窺視無窮 一、演示目的了解窺視無窮的原理，提高學(xué)習(xí)物理學(xué)的興趣。二、演示原理：窺視無窮鏡是由一面鍍有高反射率膜的兩片平板玻璃構(gòu)成，高反射率膜面朝內(nèi)安放，相互平行的兩片平板玻璃中間放置物體。物體發(fā)出或反射的光經(jīng)鍍有高反射率膜層面的來回反射，在窺視無窮鏡的左右兩邊形成一系列的虛像。三、操作說明：打開電源開關(guān)，呈現(xiàn)窺視無窮像，觀察鏡中的

7、多次反射成像現(xiàn)象。四、注意事項：不要拿起來觀看，以免損壞；不要弄臟鏡面，以免影響成像質(zhì)量。實驗八 幻影合成 一、演示目的再次體驗凹面鏡成像原理。二、演示原理：隱藏在窺視孔內(nèi)的屏幕播放著三維影像，此影像（光線）通過屏幕由凹面鏡反射回來，鏡子的曲度使反射光線匯聚，故影像每一點發(fā)出的光都被匯聚在凹面鏡前空間相應(yīng)的點，當(dāng)影像每一點被這樣匯聚時，就在凹面鏡前相應(yīng)位置形成影像，我們把這個影像再通過一個分光鏡反射到窗口外部，在空間就會呈現(xiàn)出逼真的立體像。三、演示效果：當(dāng)你誤把經(jīng)凹面鏡反射的映像當(dāng)作屏幕上正在播放的實像而用手去抓時，當(dāng)然是什么也抓不到。當(dāng)把影像放到凹面鏡二倍焦距處，在空中呈現(xiàn)出等大逼真的立體像

8、，所成影像不僅具備較高的清晰度、立體感和真實感，使其看得見、摸不著。實驗九 小魔術(shù) 穿墻而過演示目的：利用視覺上不可能的現(xiàn)象，演示光的偏振性。實驗原理：一個偏振器只允許一個特定平面內(nèi)振動的光通過，這個特定平面稱為偏振面。這個偏振方向稱為偏振器的透光軸。自然光在垂直于傳播方向的所有方向上都有光振動。自然光射向一個偏振器，由于偏振器只允許一個特定平面內(nèi)振動的光通過，所以，透射光只在這個特定平面內(nèi)振動。若該透射光射向一個與前一個偏振器透光軸垂直的偏振器，則沒有光透過第二個偏振器。這樣便在兩個偏振器交界面形成一個“光”墻。操作方法：將轉(zhuǎn)簡一頭壓下，觀察小球穿越“光”墻。注意事項： 由于偏振片易碎，所以

9、操作應(yīng)小心，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)簡時，手要拿穩(wěn)。實驗十 是你還是我演示目的： 了解光的穿透與反射。科學(xué)原理： 玻璃上鍍有一層極薄的金屬膜，制成半透半反平面鏡。當(dāng)自己一側(cè)的光線強于對方一側(cè)時，此側(cè)被鏡子反射回來的光線強于從鏡子里透射過來的對方一側(cè)的光線，此時自己就象在照鏡子，只能從鏡中看到自己的像；當(dāng)對方光線亮度大于自己一側(cè)時，從鏡子中透射過來的對方的光線大于自己一側(cè)被鏡子反射回來的光線，此時又象隔著窗戶玻璃看到窗外（對方）的人像；當(dāng)自己一側(cè)被鏡子反射回來的光線與從鏡子中透射過來對方一側(cè)的光線強度差別不大時，此鏡中就出現(xiàn)反射的自己的像和透射的對方的像疊加在一起的，你中有我、我中有你的像。學(xué)生實際參與： 選一位

10、朋友與你相對地坐在鏡子兩邊，上下移動頭部，將自己的臉和朋友的臉重疊在一起。仔細(xì)看看新的面孔和原來的你有多少不同？這里的奧妙在于你們兩人的五官、臉可能錯位，即你的面孔上可能是朋友的鼻子。注意事項： 鏡子兩邊分處兩人對視就可觀察。不要碰撞鏡面。實驗十一 三基色一、演示目的 了解三基色的原理與應(yīng)用。二、實驗原理及操作：三基色是指紅，綠，藍(lán)三色，人眼對紅、綠、藍(lán)最為敏感，大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍(lán)三種色光。這是色度學(xué)的最基本原理，即三基色原理。紅綠藍(lán)三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色，除了相加混色法之外還有相減混色法?？筛鶕?jù)

11、需要相加相減調(diào)配顏色。主要內(nèi)容：自然界中的絕大部分彩色，都可以由三種基色按一定比例混合得到；反之，任意一種彩色均可被分解為三種基色。作為基色的三種彩色，要相互獨立，即其中任何一種基色都不能由另外兩種基色混合來產(chǎn)生。由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于參與混合的各基色的亮度之和。三基色的比例決定了混合色的色調(diào)和色飽和度。  在初中的物理課中我們可能做過棱鏡的試驗，白光通過棱鏡后被分解成多種顏色逐漸過渡的色譜，色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，這就是可見光譜。其中人眼對紅、綠、藍(lán)最為敏感，人的眼睛就像一個三色接收器的體系，大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)

12、生。同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍(lán)三種色光。這是色度學(xué)的最基本原理，即三基色原理。三種基色是相互獨立的，任何一種基色都不能有其它兩種顏色合成。紅綠藍(lán)是三基色，這三種顏色合成的顏色范圍最為廣泛。紅綠藍(lán)三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。紅色+綠色=黃色綠色+藍(lán)色=青色紅色+藍(lán)色=品紅紅色+綠色+藍(lán)色=白色黃色、青色、品紅都是由兩種及色相混合而成，所以它們又稱相加二次色。另外：紅色+青色=白色綠色+品紅=白色藍(lán)色+黃色=白色所以青色、黃色、品紅分別又是紅色、藍(lán)色、綠色的補色。由于每個人的眼睛對于相同的單色的感受有不同，所以，如果我們用相同強度的三基色混合時，假設(shè)得到白光的強度為10

13、0%，這時候人的主觀感受是，綠光最亮，紅光次之，藍(lán)光最弱。除了相加混色法之外還有相減混色法。在白光照射下，青色顏料能吸收紅色而反射青色，黃色顏料吸收藍(lán)色而反射黃色，品紅顏料吸收綠色而反射品紅。也就是：白色-紅色=青色白色-綠色=品紅白色-藍(lán)色=黃色另外，如果把青色和黃色兩種顏料混合，在白光照射下，由于顏料吸收了紅色和藍(lán)色，而反射了綠色，對于顏料的混合我們表示如下：顏料（黃色+青色）=白色-紅色-藍(lán)色=綠色顏料（品紅+青色）=白色-紅色-綠色=藍(lán)色顏料（黃色+品紅）=白色-綠色-藍(lán)色=紅色以上的都是相減混色，相減混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的顏色的。所以有把青色、品紅、黃色稱為顏料三基

14、色。顏料三基色的混色在繪畫、印刷中得到廣泛應(yīng)用。在顏料三基色中，紅綠藍(lán)三色被稱為相減二次色或顏料二次色。在相減二次色中有：（青色+黃色+品紅）=白色-紅色-藍(lán)色-綠色=黑色用以上的相加混色三基色所表示的顏色模式稱為RGB模式，而用相減混色三基色原理所表示的顏色模式稱為CMYK模式，它們廣泛運用于繪畫和印刷領(lǐng)域。RGB模式是繪圖軟件最常用的一種顏色模式，在這種模式下，處理圖像比較方便，而且，RGB存儲的圖像要比CMYK圖像要小，可以節(jié)省內(nèi)存和空間。CMYK模式是一種顏料模式，所以它屬于印刷模式，但本質(zhì)上與RGB模式?jīng)]有區(qū)別，只是產(chǎn)生顏色的方式不同。RGB為相加混色模式，CMYK為相減混色模式。例

15、如，顯示器采用RGB模式，就是因為顯示器是電子光束轟擊熒光屏上的熒光材料發(fā)出亮光從而產(chǎn)生顏色。當(dāng)沒有光的時候為黑色，光線加到最大時為白色。而打印機呢？它的油墨不會自己發(fā)出光線。因而只有采用吸收特定光波而反射其它光的顏色，所以需要用減色法來解決。實驗十二 不一樣的鏡子 圖析平面鏡成像演示目的：加深理解平面鏡成像原理。實驗原理：根據(jù)平面鏡成像原理，一個物體放在一塊平面鏡中只能成一個像，當(dāng)兩平面鏡構(gòu)成夾角900時，能成幾個像呢？把點光源放在夾角為°的兩塊平面鏡之間，如圖所示，能成幾個像？    作圖法，利用平面鏡成像原理和像的對稱性兩種方法并作，可達(dá)到直觀、簡

16、易性。依題意作圖，點光源放在垂直放置的兩平面鏡前，據(jù)光的反射定律或平面鏡成像規(guī)律，由于點光源在兩平面鏡、中成像，見圖中、兩點。此外，由于一些光線分別射到、鏡面，反射后又分別射到、兩個鏡面上，被、兩個鏡面二次反射的光線是發(fā)散的（見線、線），但它們反向延長相交到一點，如圖所示，這個點也是點光源的像，可見互成°的兩平面鏡可成三個像，其中角頂?shù)囊粋€像是兩塊平面鏡所成的重合像。也可據(jù)平面鏡成像規(guī)律，像與物對鏡面相互對稱，把像與物連接起：作圖中虛線所示；是在的像，是在中的像，是分別在、所成的重合像。從圖中很明顯看出物與像組成了一個正方形，物在角的平分線上。 實驗十三 菲涅爾透鏡一、演示目的： 了

17、解菲涅爾透鏡的原理與應(yīng)用。二、實驗原理及操作：菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓等距齒紋。透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。菲涅爾透鏡的紋理是根據(jù)光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計的。透鏡的要求很高。一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而

18、變，多在1mm左右，特性為面積大、厚度薄及偵測距離遠(yuǎn)。 菲涅爾透鏡在很多時候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。多用于對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。正菲涅爾透鏡的光線從一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過菲涅爾透鏡在另一側(cè)出來聚焦成一點或以平行光射出。焦點在光線的另一側(cè)，并且是有限共軛。 這類透鏡通常設(shè)計為準(zhǔn)直鏡（如投影用菲涅爾透鏡，放大鏡）以及聚光鏡（如太陽能用聚光聚熱用菲涅爾透鏡。三、注意事項：菲涅爾透鏡不能用任何有機溶液(如酒精等)擦拭，除塵時可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。實驗十四 光彈性演示實驗 用光學(xué)原理研究彈性力學(xué)問題的實驗方

19、法稱為光彈性法。它是用具有雙折射效應(yīng)的透明材料，嚴(yán)格遵守“相似律”原則制成構(gòu)件模型，將模型置于白光光源的圓偏振光場中。當(dāng)給模型加上載荷時，即可看到模型上所出現(xiàn)的干涉條紋，依照應(yīng)力光學(xué)定律，那些顏色相同的條紋表示光程差相等的跡線，也就是主應(yīng)力等值線，故稱為等色線或等差線。由產(chǎn)生的等色線或等差線干涉條紋圖形，通過計算就能確定構(gòu)件模型在載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)，可以得到直觀的、可靠的、全場的應(yīng)力分布狀態(tài)。利用光彈性法，可以研究幾何形狀和載荷條件都比較復(fù)雜的構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)，特別是應(yīng)力集中的區(qū)域和三維內(nèi)部應(yīng)力問題。對生物力學(xué)、斷裂力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)等還可用光彈性法驗證其提出的新理論、新假設(shè)的合理性和有效性，為發(fā)展新理論