光在透明介質中傳播的演示實驗裝置改進

光在透明介質中傳播的演示實驗裝置改進上海市南洋初級中學陸旻摘要：使用明膠、長方體水槽和紅色激光筆等材料，制作兩個實驗裝置，分別演示光在透明介質中沿直線傳播和發(fā)生偏折的現(xiàn)象。通過演示實驗，可以提高學生的興趣，加深學生對光學相關知識點的認識和理解，培養(yǎng)學生觀察能力、分析能力和解決問題的能力。關鍵字：自制實驗裝置；直線傳播；散射；透明介質；不均勻介質；為了加強學生對光在同種均勻介質中的直線傳播、光在不均勻介質中的傳播方向發(fā)生偏折的認識，筆者改進了兩個實驗裝置，分別演示光在均勻介質中的沿直線傳播和在不均勻介質中的發(fā)生偏折現(xiàn)象。借助兩個實驗裝置，學生能直接觀察光在透明介質中的傳播，大大提高了學生的學習興趣，幫助學生理解、掌握相關知識點。1制作演示實驗裝置的意圖光在同種均勻介質中沿直線傳播。老師在講解概念時，會使用糖水（或者鹽水）來做演示實驗，適當提高蔗糖的濃度，使用激光筆照射，可以達到實驗效果。但要使用糖水來演示光在不均勻介質中的傳播時，會遇到困難。在水槽中加入大量的蔗糖，不使用攪拌棒，讓蔗糖自行溶解，可以得到暫時的、不穩(wěn)定的不均勻介質，使用激光筆照射，或許可以看到光的傳播路徑發(fā)生偏折的現(xiàn)象，但是成功率不高；另外，隨著時間的推移或者外力晃動（水槽的移動），水槽中的蔗糖粒子慢慢擴散，散射現(xiàn)象明顯弱化，最后消失。這將影響實驗的說服力，學生會產生疑惑，不利于學生認識、理解相關知識點。筆者嘗試使用明膠，制作同種均勻介質和同種不均勻介質，達到穩(wěn)定的，保存時間較長的效果；并且實驗的現(xiàn)象和結果是可重復的演示裝置。2實驗原理2.1光的散射在清晨，我們往往能在樹林里看見穿過樹葉縫隙射下的太陽光束，或在電影院里看見放映機投射到熒幕上的光束。這是由于空氣中存在著大量的塵埃物或煙等微粒，這些微粒將光散射到我們的眼里[1]。在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，如果粒子大于入射光波長很多倍，則發(fā)生光的反射；如果粒子小于入射光波長，則發(fā)生光的散射，這時觀察到的是光波環(huán)繞微粒而向其四周放射的光，稱為\t"/item/%E4%B8%81%E8%BE%BE%E5%B0%94%E6%95%88%E5%BA%94/_blank"散射光。散射光的強度隨散射粒子體積的減小而明顯減弱。2.2明膠明膠粒子的大小在1nm至100nm之間；可見光的波長在400nm至700nm之間。明膠粒子小于可見光的波長，當一束光線穿過明膠膠體，從垂直入射光方向可以觀察到膠體里出現(xiàn)的一條光亮的“通路”。這條光亮的“通路”是由于膠體粒子對光線\t"/item/%E4%B8%81%E8%BE%BE%E5%B0%94%E6%95%88%E5%BA%94/_blank"散射形成的，是光在膠體中傳播的路徑。蔗糖（或食鹽）溶于水后，粒子直徑小于1nm，這也是使用蔗糖（或食鹽）制作不均勻介質，實驗現(xiàn)象不明顯的重要原因。3實驗裝置1--光在同種均勻介質中沿直線傳播3.1實驗用品明膠片、長方體水槽、酒精燈、1000mL燒杯、攪拌棒、紅色激光筆、鐵架臺、溫度槍3.2實驗裝置的制作量取800mL水；根據1：20的比例，稱取40克的明膠片，并用剪刀剪成小片，這樣可以加快溶解時間。將小片的明膠用冰水軟化后，倒入燒杯中，用酒精燈加熱溶解，溫度控制在40度左右。明膠充分溶解后，慢慢倒入長方體水槽中，并放入冰箱中冷藏2小時左右。明膠凝固后，把紅色激光筆固定在鐵架臺上，進行照射，實驗效果如圖1。圖1光在透明介質中直線傳播3.3實驗說明實驗使用紅色激光筆。綠色激光筆功率雖然效果更好，但是功率太大，容易造成誤傷。明膠的溶解溫度要控制在40度左右。如果溫度過高，明膠會失去凝固力。筆者在制作過程中，用溫度槍實時關注，當溫度超過時，移開酒精燈；當溫度降低時，再用酒精燈繼續(xù)加熱。明膠在溶解過程中，需要用攪拌棒不停地攪拌。否則，先溶解的明膠會黏在燒杯底部。一旦黏在底部，就很難用攪拌棒將其從底部分開，后續(xù)清洗燒杯時也很費勁。4實驗裝置2--光在不均勻介質中的偏折現(xiàn)象4.1實驗用品明膠片、長方體水槽、酒精燈、500mL燒杯、攪拌棒、紅色激光筆、鐵架臺、溫度槍、食品袋4.2實驗裝置的制作（1）量取400mL水；稱取65克的明膠片；加熱溶解制備下層明膠。（2）量取400mL水；稱取15克的明膠片；加熱溶解制備上層明膠。（3）先將下層明膠倒入長方體水槽；然后在膠體上面鋪一層食品袋；再將上層明膠緩緩倒入；最后，慢慢抽出食品袋，并將長方體水槽放入冰箱冷藏。（4）明膠凝固后，把紅色激光筆固定在鐵架臺上，調節(jié)高度和角度進行照射，實驗效果如圖2。圖2光在不均勻介質中的偏折現(xiàn)象4.3實驗說明上層溶液的濃度與下層溶液的濃度，相差越大，折射現(xiàn)象越明顯。第一次制備上層溶液稱取10克明膠，結果明膠沒有凝固成型，主要是比例太低了。第二次制備上層溶液，將分量提高至15克，剛剛凝固成型。為了得到更好的實驗效果，下層溶液要盡可能提高濃度。第一次稱取40克，實驗效果不明顯。第二次稱取65克，加熱過程中不斷攪拌，延長溶解時間，還有小部分明膠片沒有溶解。5創(chuàng)新與優(yōu)點5.1光的傳播路徑通常不容易看到。制作演示裝置，方便學生在課堂上觀察到光的傳播路徑，創(chuàng)設感性的教學情景，讓學生近距離、親身感受光在同種均勻和不均勻介質中傳播的現(xiàn)象。這些概念和知識點，隨著實驗裝置和呈現(xiàn)的圖像，一起長久地印在學生們的腦海里。5.2為了加深學生認識、理解光在同種均勻介質中是沿直線傳播的概念，制作不均勻介質的演示裝置做對比實驗。（1）使用同一種材料，分別制作同種均勻介質和不均勻介質，更有說服力。（2）通過對比實驗，光在均勻介質和不均勻介質中傳播，呈現(xiàn)出截然不同的實驗現(xiàn)象，在提高學生學習興趣和課堂注意力的同時，不僅認識、理解光在“均勻介質”和“不均勻介質”的傳播的知識點，而且初步學習對比實驗的方法和培養(yǎng)實踐能力。5.3明膠制作的透明介質，即使用紅色激光進行照射，也可以得到較好的實驗效果；而不需要使用綠色激光。因為綠色的激光功率強，容易引發(fā)不安全事故。筆者使用高濃度的鹽水作為透明介質，做同樣的實驗。綠色激光照射時，“光路”明亮、清晰。紅色激光照射時，“光路”比較暗淡、模糊。因為明膠粒子大于食鹽粒子，波長較長的紅色激光也可以得到較好的散射效果。使用明膠和食鹽作對比實驗，也有利于學生認識、理解光的散射相關知識點。6反思與展望自制演示裝置，供教師在課堂上演示使用，是課堂教學的輔助工具，可以提高學生的興趣，鎖定學生的注意力，啟迪學生的思維，幫助學生認識、理解光在透明介質中傳播的相關知識點。在制作演示裝置的過程中，筆者收集大量資料，學習明膠的相關性質，也遇到過困難，最后看到圖2優(yōu)美的曲線時，感到滿滿的成就感和喜悅感，可謂教學相長也。關于實驗裝置所用的明膠材料，不同品牌的明膠存在一定差異，例如溶解溫度、濃