多功能几何光学演示仪的开发与教学研究

戴瑞 王旎菡

摘   要：开发并制作了一款性能优良的多功能几何光学演示仪，演示的主要内容有：验证光的反射定律、折射定律;计算红光和绿光在水中的折射率;通过旋转装置可以连续改变入射角，动态演示各色光从折射到全反射的变化过程。

关键词：几何光学;光的反射;光的折射;光的全反射

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）1-0049-2

1    引  言

几何光学因其研究方法采用欧式几何法得名，主要研究光在透明介质中的传播规律。几何光学也是初中物理和高中物理的重点知识单元，为了让学生更好地理解掌握光的反射、折射、全反射现象，我们开发并制作了一款性能优良的多功能几何光学演示仪。演示仪选材常见易得、制作方法简单，实验效果明显，方便用于课堂上演示。本文研究内容是我们前期研究工作的延续[1]。相比于前期的研究工作，这台演示仪体现在一体化上，操作更为方便，在某些方面弥补了前期研究工作的不足。

2    演示仪的开发与制作

多功能几何光学演示仪的主体装置是一个长方体水槽，如图1（a）所示，水槽材质是有机玻璃板，尺寸是50 cm×25 cm×30 cm，厚度为5 mm，上端开口。在前后两面对应位置各开一个直径为85 mm的圆形孔洞，将一个外径为85 mm、内径为81 mm、长为25 cm的圆柱形有机玻璃管嵌套其中，用玻璃胶密封好，确保不漏水。可用黑色喷漆（或黑色泡沫板）喷满水槽背面，利于观察演示实验现象。

红光、绿光、蓝光、紫光激光笔头各1支：红光激光笔头输出波长为650 nm，输出功率为30 mW，工作电压为3～12 V（选取5 V）;绿光激光笔头输出波长为510 nm，输出功率为30 mW，工作电压为 4.5～12 V（选取5 V）;蓝光激光笔头输出波长为450 nm，输出功率为30 mW，工作电压为3～6 V（选取3 V）;紫光激光笔头输出波长为405 nm，输出功率为30 mW，工作电压为2.1～6 V（选取3 V）。4位拨码开关贴片一个，可单独控制每个激光笔头，将从激光笔头引出的导线接在4位拨码开关上，红、绿一组与2节9800型号电池（2.5 V）相连，蓝、紫一组与2节普通1.5 V干电池连接，如图1（b）所示。再准备一个外径为75 mm、厚度为2 mm、长为25 cm的PVC塑料水管（常规尺寸），沿其水平方向打4个圆孔，将连接好的激光笔头分别嵌入并粘牢（尽量保证光线平行），如图1（c）所示，从左到右分别是红光、绿光、蓝光、紫光激光笔头，并将开关贴片用速干胶粘于PVC管内壁。

3    多功能几何光学演示仪在教学中的应用

将水倒入水槽中，高度要超过圆形孔洞的上沿，约占水槽容积的3/5。在清水中加入3到5滴牛奶，可以清楚地看到水中的光线。用手持纳米喷雾补水仪向液面上方喷入适量水雾，用泡沫板将水槽开口盖住，用于示踪空气中的光路。

3.1    验证光的反射定律、折射定律

将透明塑料纸附于360°量角器图片上，临摹刻度制成量角器，如图2（a）所示。当光从水中射入到空气中时，在水与空气的分界面处发生反射、折射现象，如图2（b）所示。将塑料纸没有刻度的一面沾上水，将其吸附在水槽前壁上，量角器的零刻度线要与水面相平，量角器的圆心要与光在“水-空气”分界面处的入射点“重合”，这样与零刻度线垂直的方向即为法线方向。从量角器上可读出入射角为i1、反射角为i'1、折射角为i2。旋转光源装置，改变入射光方向，测量并记录三组入射角i1、反射角i'1、折射角i2的数据，验证光的反射定律（i1=i'1）、光的折射定律（sini2/sini1=常数）。

3.2    计算红光和绿光在水中的折射率

光线从水中（n1）射入到空气（n2）中发生折射，满足折射定律n1sini1=n2sini2，通过测量入射角i1、折射角i2、n2=1，可以算出n1。分别打开红光、绿光激光笔头，如图3所示，旋转光源装置，改变入射光方向，测量并记录入射角i1、红光折射角

3.3    动态演示各色光從折射到全反射的变化过程

4    总   结

几何光学理论在光导纤维、单反摄像镜头、太阳能发电、太空角反射定位等方面彰显着其广泛的应用前景。在中学阶段通过优质教具演示实验现象是夯实几何光学理论的高效手段。本文开发并制作的多功能几何光学演示仪具有效果明显、用途多样、操作简便、仿制容易等优点，基本满足了中学阶段几何光学相关教学的需求。

参考文献：

[1]戴瑞，于海波，黄行建，等.光的折射和全反射演示改进的探究[J].物理教师，2017，38（10）：41-42.

（栏目编辑    王柏庐）