光在透明介質(zhì)中傳播的演示實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

光在透明介質(zhì)中傳播的演示實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)上海市南洋初級(jí)中學(xué)陸旻摘要：使用明膠、長(zhǎng)方體水槽和紅色激光筆等材料，制作兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別演示光在透明介質(zhì)中沿直線傳播和發(fā)生偏折的現(xiàn)象。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生的興趣，加深學(xué)生對(duì)光學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、分析能力和解決問(wèn)題的能力。關(guān)鍵字：自制實(shí)驗(yàn)裝置；直線傳播；散射；透明介質(zhì)；不均勻介質(zhì)；為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光在同種均勻介質(zhì)中的直線傳播、光在不均勻介質(zhì)中的傳播方向發(fā)生偏折的認(rèn)識(shí)，筆者改進(jìn)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別演示光在均勻介質(zhì)中的沿直線傳播和在不均勻介質(zhì)中的發(fā)生偏折現(xiàn)象。借助兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生能直接觀察光在透明介質(zhì)中的傳播，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解、掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。1制作演示實(shí)驗(yàn)裝置的意圖光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。老師在講解概念時(shí)，會(huì)使用糖水（或者鹽水）來(lái)做演示實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)提高蔗糖的濃度，使用激光筆照射，可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。但要使用糖水來(lái)演示光在不均勻介質(zhì)中的傳播時(shí)，會(huì)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(shí)的、不穩(wěn)定的不均勻介質(zhì)，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(shí)間的推移或者外力晃動(dòng)（水槽的移動(dòng)），水槽中的蔗糖粒子慢慢擴(kuò)散，散射現(xiàn)象明顯弱化，最后消失。這將影響實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生疑惑，不利于學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。筆者嘗試使用明膠，制作同種均勻介質(zhì)和同種不均勻介質(zhì)，達(dá)到穩(wěn)定的，保存時(shí)間較長(zhǎng)的效果；并且實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果是可重復(fù)的演示裝置。2實(shí)驗(yàn)原理2.1光的散射在清晨，我們往往能在樹(shù)林里看見(jiàn)穿過(guò)樹(shù)葉縫隙射下的太陽(yáng)光束，或在電影院里看見(jiàn)放映機(jī)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(guò)程中，光線照射到粒子時(shí)，如果粒子大于入射光波長(zhǎng)很多倍，則發(fā)生光的反射；如果粒子小于入射光波長(zhǎng)，則發(fā)生光的散射，這時(shí)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(qiáng)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(jiàn)光的波長(zhǎng)在400nm至700nm之間。明膠粒子小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，當(dāng)一束光線穿過(guò)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(duì)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(zhì)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的重要原因。3實(shí)驗(yàn)裝置1--光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播3.1實(shí)驗(yàn)用品明膠片、長(zhǎng)方體水槽、酒精燈、1000mL燒杯、攪拌棒、紅色激光筆、鐵架臺(tái)、溫度槍3.2實(shí)驗(yàn)裝置的制作量取800mL水；根據(jù)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(shí)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(zhǎng)方體水槽中，并放入冰箱中冷藏2小時(shí)左右。明膠凝固后，把紅色激光筆固定在鐵架臺(tái)上，進(jìn)行照射，實(shí)驗(yàn)效果如圖1。圖1光在透明介質(zhì)中直線傳播3.3實(shí)驗(yàn)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)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(guò)高，明膠會(huì)失去凝固力。筆者在制作過(guò)程中，用溫度槍實(shí)時(shí)關(guān)注，當(dāng)溫度超過(guò)時(shí)，移開(kāi)酒精燈；當(dāng)溫度降低時(shí)，再用酒精燈繼續(xù)加熱。明膠在溶解過(guò)程中，需要用攪拌棒不停地?cái)嚢琛７駝t，先溶解的明膠會(huì)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(kāi)，后續(xù)清洗燒杯時(shí)也很費(fèi)勁。4實(shí)驗(yàn)裝置2--光在不均勻介質(zhì)中的偏折現(xiàn)象4.1實(shí)驗(yàn)用品明膠片、長(zhǎng)方體水槽、酒精燈、500mL燒杯、攪拌棒、紅色激光筆、鐵架臺(tái)、溫度槍、食品袋4.2實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(tái)上，調(diào)節(jié)高度和角度進(jìn)行照射，實(shí)驗(yàn)效果如圖2。圖2光在不均勻介質(zhì)中的偏折現(xiàn)象4.3實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(jié)果明膠沒(méi)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(shí)驗(yàn)效果，下層溶液要盡可能提高濃度。第一次稱取40克，實(shí)驗(yàn)效果不明顯。第二次稱取65克，加熱過(guò)程中不斷攪拌，延長(zhǎng)溶解時(shí)間，還有小部分明膠片沒(méi)有溶解。5創(chuàng)新與優(yōu)點(diǎn)5.1光的傳播路徑通常不容易看到。制作演示裝置，方便學(xué)生在課堂上觀察到光的傳播路徑，創(chuàng)設(shè)感性的教學(xué)情景，讓學(xué)生近距離、親身感受光在同種均勻和不均勻介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象。這些概念和知識(shí)點(diǎn)，隨著實(shí)驗(yàn)裝置和呈現(xiàn)的圖像，一起長(zhǎng)久地印在學(xué)生們的腦海里。5.2為了加深學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解光在同種均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的概念，制作不均勻介質(zhì)的演示裝置做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。（1）使用同一種材料，分別制作同種均勻介質(zhì)和不均勻介質(zhì)，更有說(shuō)服力。（2）通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，光在均勻介質(zhì)和不均勻介質(zhì)中傳播，呈現(xiàn)出截然不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課堂注意力的同時(shí)，不僅認(rèn)識(shí)、理解光在“均勻介質(zhì)”和“不均勻介質(zhì)”的傳播的知識(shí)點(diǎn)，而且初步學(xué)習(xí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法和培養(yǎng)實(shí)踐能力。5.3明膠制作的透明介質(zhì)，即使用紅色激光進(jìn)行照射，也可以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果；而不需要使用綠色激光。因?yàn)榫G色的激光功率強(qiáng)，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(zhì)，做同樣的實(shí)驗(yàn)。綠色激光照射時(shí)，“光路”明亮、清晰。紅色激光照射時(shí)，“光路”比較暗淡、模糊。因?yàn)槊髂z粒子大于食鹽粒子，波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，也有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解光的散射相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。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(xué)的輔助工具，可以提高學(xué)生的興趣，鎖定學(xué)生的注意力，啟迪學(xué)生的思維，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解光在透明介質(zhì)中傳播的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在制作演示裝置的過(guò)程中，筆者收集大量資料，學(xué)習(xí)明膠的相關(guān)性質(zhì)，也遇到過(guò)困難，最后看到圖2優(yōu)美的曲線時(shí)，感到滿滿的成就感和喜悅感，可謂教學(xué)相長(zhǎng)也。關(guān)于實(shí)驗(yàn)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