光學實驗演示儀的設計與制作

光學實驗演示儀的設計與制作

一、光學實驗演練儀的研制對于剛接觸物理的高中生來說，我們必須正確理解光的折射、反射現(xiàn)象和規(guī)律。只有通過實驗現(xiàn)象進行總結和總結，我們才能深入理解。所以光的折射、反射演示實驗成功與否,將直接決定學生是否能夠接受和理解相關知識。在實驗教學中,許多教師對該實驗進行了改進,但仍存在實驗操作麻煩、部分學生不能直接讀出入射角和反射角等問題,未能達到良好的演示效果。為了增強實驗效果,更加方便地演示光在空氣和其他介質之間的折射、反射現(xiàn)象,系統(tǒng)探究光的折射、反射規(guī)律,直觀地觀察光的折射、反射現(xiàn)象,我們設計制作了系列光學實驗演示儀。該儀器由“雙環(huán)式”曲面反射演示儀、“旋轉測角式”反射折射演示儀、“翻板式”多功能光學實驗演示箱組成。二、材料的制造木板、冷軋KT板、反光膜、玻璃磚、激光筆、平面鏡、凹面鏡、凸透鏡、凹透鏡、水槽、三棱鏡、漫射板、玻璃、煙霧發(fā)生器等。三、生產(chǎn)和應用1.觀察組主觀設計方案在曲面鏡反射的演示實驗中,一般使用凸凹鏡演示,本裝置用圓環(huán)粘貼反光膜的形式代替凸凹鏡,小圓環(huán)的內側代表凹面鏡,外側代表凸面鏡。在演示實驗時,紅外線從左側通光孔射入,光線在小圓環(huán)內實現(xiàn)多次凹面鏡反射;紅外線從右側通光孔射入時,光線在月牙環(huán)內實現(xiàn)多次凸、凹面鏡反射?！半p環(huán)式”曲面反射演示儀內部由雙環(huán)套疊而成,外邊是正方形外殼,尺寸為34cm×34cm。在箱體和雙環(huán)的左右兩側各開2個通光孔。正面用玻璃密封,上面粘貼刻度盤。演示儀設計寬度為6cm。(1)雙環(huán)構造(如圖1所示)外環(huán)直徑30cm,內環(huán)直徑15cm,寬度為5.5cm。內部的雙環(huán)兩側粘貼反光膜。兩環(huán)在大環(huán)內相切,用小螺絲固定,相切的部分開2個通光孔。(2)箱體構造(如圖2所示)箱體為34cm×34cm×6cm。把雙環(huán)黏合在箱體底板上,正面黏合玻璃,密封防止漏煙。玻璃上面粘貼刻度盤,刻度盤的內徑為30cm×30cm,與外環(huán)的直徑相同。(3)煙霧發(fā)生器構造(如圖3所示)煙霧發(fā)生器主要由核桃露空桶制作,下部取3cm×5cm的區(qū)域打孔后沿邊緣切開,向內彎曲作為熏香燃燒器,再做一個稍大于桶直徑的薄鐵圓環(huán),作為風門封閉器,用于控制風門的大小,控制熏香的燃燒速度,上部連接導管,往演示儀內通煙霧。(4)實驗操作(如圖4所示)點燃熏香,放入燃燒器內,送入演示儀,燃燒一段時間。用紅外線激光筆從通光孔射入,光斑在內環(huán)的內側形成凹面鏡反射,外側形成凸面鏡反射。由于雙環(huán)的內外側粘貼有反光膜,所以演示儀內形成多條光線相互反射的奇特現(xiàn)象。該儀器既能演示單條光線的反射光路,又能演示平行光線的反射光路。在煙霧充足、角度適當?shù)臈l件下,演示儀內會出現(xiàn)布滿紅外線的奇妙景象。2.磨砂膠結構設計“旋轉測角式”反射折射演示儀為由半圓形磨砂玻璃和多層KT板疊加黏合而成的圓形結構,外側為正方形面板,上有刻度盤;內部的圓形結構外側是旋轉式環(huán)狀結構,上面開有通光孔;通光孔上部安裝紅外線激光筆固定裝置;激光筆可以圍繞圓形結構旋轉,光斑直射在半圓形磨砂玻璃的圓心處,隨旋轉的角度不同,入射角不同,根據(jù)刻度盤可以直觀地讀出入射角、折射角和反射角。(1)圓形面板與弧形面板構造(如圖5所示)圓形面板直徑30cm×30cm,弧形面板弦長15cm,制作3片疊加,黏合半圓形磨砂玻璃。(2)圓環(huán)形面板與轉環(huán)構件(如圖6所示)圓形構件外徑30cm×30cm,內徑25cm×25cm;轉環(huán)直徑30.4cm,黏合激光筆固定器。激光筆固定器為等腰三角形,底邊切成弧形與轉環(huán)吻合,腰長為10cm。(3)基本構件組裝圖(如圖7所示)(4)煙霧發(fā)生器構造(同前)(5)實驗原理及操作點燃熏香,放入燃燒器內,送入演示儀,燃燒一段時間。用紅外線激光筆從通光孔射入,光斑半圓形磨砂玻璃的圓心處,外側形成鏡面反射,磨砂玻璃內部形成折射,通過刻度盤可以直觀地讀出光線的入射角、折射角和反射角。3.實驗儀器和實驗流程“翻板式”多功能光學實驗演示箱由箱體、玻璃磚、三棱鏡、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡、凸透鏡、凹透鏡、小水槽、熏香燃燒器等構成。箱體分內外兩層,外層為演示箱,內層為倉儲箱;箱體的左右兩側開有通光孔,用于安放激光筆。箱內可以同時放置多種實驗器材,可以根據(jù)需要翻動翻板,把所需儀器由倉儲箱送入演示箱,進行光學實驗。由于箱底黏合平面鏡,隨時都可以做光的反射實驗。(1)箱體構造(如圖8所示)箱體尺寸為42cm×20cm,由隔板分為內外兩箱,其中倉儲箱9cm,演示箱10cm,隔板厚為0.5cm。側面各有2個通光孔。(2)翻板構造(如圖9所示)翻板為三角形,大小與隔板上的矩形孔吻合;上部黏合或用小螺絲固定光學儀器;背面有固定孔,與隔板相連接。(3)隔板構造(如圖10所示)隔板尺寸為42cm×20cm,上面開5個矩形孔,大小與翻板吻合;右側開有圓形孔,上面固定三棱鏡;中間畫有量角器,便于測量入射角與反射角。(4)演示箱背面構造(如圖11所示)背面開有兩門,上部用于操控各種儀器;下部用于放置水槽。圖11a為展開圖,圖11b為封閉圖。(6)實物圖(如圖13所示)(7)實驗原理及操作將實驗所需儀器翻入倉儲箱,根據(jù)需要可以翻出一件或多件儀器。點燃熏香,放入燃燒器內,通入演示儀。用紅外線激光筆從通光孔射入,根據(jù)需要照射所需實驗儀器,觀察實驗現(xiàn)象。四、觀察指標與儀器(1)采用紅外線激光筆作光源,極大增強了光源亮度,為實驗可見度和實驗效果提供了保障。(2)“雙環(huán)式”曲面反射演示儀。采用黑色KT板做光屏顯示光的傳播方向,可以同時觀察到入射光線和折射光線;雙環(huán)取代了曲面鏡,在演示實驗時紅外線從左側通光孔射入,光線在小圓環(huán)內實現(xiàn)多次凹面鏡反射;紅外線從右側通光孔射入時,光線在月牙環(huán)內實現(xiàn)多次凸、凹面鏡反射。(3)“旋轉測角式”反射折射演示儀。光源位置可以隨意連續(xù)轉動,既可以演示光從空氣射入半圓形磨砂玻璃時折射光線隨入射光線的變化關系,又可以演示光從半圓形磨砂玻璃中射入空氣中時折射光線隨入射光線的變化關系。(4)“翻板式”多功能光學實驗演示箱。實驗儀