书城科普读物动手做实验丛书--光学实验改进设计实践
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第4章 几何光学实验的操作与改进设计(3)

那么,HU=hV本实验中,hV为定值,则H与U成反比。这正好与实验结果相符,说明小孔成像确实是由光的直进现象所致。

实际使用表明,利用本仪器进行实验教学有助于学生掌握小孔成像的规律,加深对小孔成像的原理和实质的认识。

对平面镜成像特点的实验改进

对初中学物理课本中,平面镜成像的演示实验,吉林前郭蒙古族中学王爱生老师利用投影仪放大的效果,作了如下改进,效果较好。

首先在30cm×30cm的透明胶片(或玻璃板)上,用黑墨水画好横竖均为2cm宽的方格,并标好与x轴对称的数字。

演示时,将制好的带有方格的胶片,水平放在投影仪上,然后将一块玻璃板垂直于胶片固定在x轴线上,并闭合开关,调节好胶片方格投影的清晰度。

把点燃的蜡烛放在玻璃板的学生侧的胶片交点“1”处,将另一同样没有点燃的蜡烛放在玻璃板后,并移动它前后左右位置,让学生从玻璃板上,观察到这支蜡烛也像点燃了似的,那么没有点燃的蜡烛就在点燃蜡烛的像的位置上。此时全班的学生从银幕上一目了然地看到像所在的位置也在交点“1”处。可见,像与物到镜面的距离相等,它们的连线到镜面垂直。改变蜡烛的位置,都会得到同样的实验结论。

简易自制的反射定律实验装置

传统的光的反射定律演示实验是利用烟雾箱或光具盘,需要强光源,学生分组实验有困难,故只能作演示。江苏锡山市锡北中学陈曦老师在教这一内容时,为了提高教学效果,且由学生自己动手探索,验证反射定律,设计制作了一套实验装置。因为取材容易、装置简单、价格低廉,且可由学生课余自己制作,做到人手一套。在教学实践中效果良好,现作介绍。

材料φ6mm×100mm饮料吸管2支。

40×80mm平面镜、透明平玻璃各一块。

发光二极管(3V)一只。

3V干电池组一组。

250mm×200mm三合板一块(附白纸)。

装配(1)把发光二极管焊好引接线,在焊接处套上绝缘管以防管脚短路,把它插入一根吸管的一端作为光源管,另一根作观察管。

(2)把平面镜与透明玻璃用透明胶水纸粘接,粘接处要能自由折转,以使平面镜能直立在桌面上。

实验操作:

(1)由学生直接用观察管观察光源管发出的光线,了解光源发出的光线只有通过观察管才能看到明亮的光源。

(2)把附有白纸的三合板平放在桌上,并在白纸上适当位置画一直线,把平面镜垂直直立在白纸上,使平面镜反射面与直线齐平。

(3)把光源管平放在白纸上,使其轴线与平面镜成斜交,在管的一侧插两枚大头针,接通电源,使发光二级管点亮。

(4)用观察管在三维空间寻找由平面镜反射后的光线,找到后能在观察管中看到明亮的光源,细心校正观察管的方向,使看到的光源最明亮。

(5)固定观察管,并在管的一侧紧靠管壁插两枚大头针(插针位置应与光源管同侧)。

实验结果处理:

(1)关闭电源,撤去器材,拔去大头针。

(2)分别过两组针孔作直线,并向镜面延长,与表示镜面的直线相交。

(3)过入射光线与镜面的交点作镜面的法线。

(4)观察人射光线与反射光线、法线是否交于一点。

(5)用量角器量出入射角和反射角的大小。

(6)讨论实验结果,得出反射定律的内容。

(7)改变入射角的大小,重做以上实验验证。

注意事项:

(1)发光二极管连接电源时注意极性。

(2)镜面要与桌面保持垂直。

(3)大头针必须插在两管的同侧。

(4)把两吸管的内外壁涂黑效果更好。

该装置的其它用途:

(1)把两管的位置交换可进行光路可逆性实验。

(2)把平面镜与透明玻璃交换位置可进行平面镜成像实验。

简易太阳能水泵演示器

为了加强关于太阳能的利用的实验教学,湖南藏江二中吴佑茂老师研制成功了一台太阳能水泵演示器。它的原理新颖、构造简单、取材方便、制作容易,实验效果很好。用于课堂教学的演示,有利于提高教学质量。如在第二课堂活动中,根据这台水泵的原理,引导学生设计并制作各种各样的太阳能水泵,能激起学生的兴趣,有利于培养学生动手动脑的能力。

水泵的构造和制作:

找一个容积为1L有橡皮塞的广口玻璃瓶,在塞上打一大一小的两孔。大孔中倒插一直径约为1cm、长约20cm的试管,试管内盛3-5ml的浓氨水。氨水中放一块黑布(或把试管头在灯烟上熏黑)作为吸光的黑体。再用一个儿童玩具气球,套在试管口上,并用橡筋扎紧,将氨水密封在试管和气球内。在工作过程中,氨水不会损失。在橡皮塞的小孔中,插一根直径为5mm的玻璃管,用以连接水管。在进水管和排水管中各装一个阀门。在瓶底端配一重心调节重物。在水瓶的适当位置处装上支承轴。轴的位置要选在:瓶中有水时,重心在支点左边,无水时,重心在支点的右边。

①凹镜②盛氨水试管③气球④水瓶⑤限位板⑥调节重心的配重⑦进水管⑧出水管⑨出水阀⑩进水阀导水管水阀也可用土法制成;1是外玻璃管,2是内玻璃管;利用橡皮管3以固定内玻璃管2;4是锥形玻璃阀门。这种阀工作可靠。

采集光线用的是直径为30cm、焦距16cm的凹面镜。我也曾用箱式太阳灶来加热氨水,同样也能取得满意的效果。

如果是阴天进行实验演示,可以用300W或500W的电灯代替太阳光,效果也很好。

水泵的工作过程:先将玻璃瓶及水管灌满水。使凹镜把太阳光集中到试管中的黑体上。约3秒钟,氨水沸腾(氨水的沸点远低于100℃,它的沸点跟氨水的浓度、酸碱度以及排水扬程的高低有关),产生氨气。氨气压增大,氨气进入气球,推动瓶中的水冲开出水阀流向高处。在排水扬程为1m的条件下,阳光强时,将瓶内的水排完约需1分钟。瓶中无水后,重心右移,水瓶顺时针旋转,直到触及限位板为止。这时试管已远离太阳光的焦点。氨水流入气球冷却氨气溶解于氨水,气压变小。水源的水在大气压的作用下,冲开进水阀,进入玻璃瓶。在吸水扬程为1m的条件下,约需1分钟,瓶内就充满水。重心左移,瓶又逆时针转动,直到触及限位板为止(要使瓶转动的动作迅速利落,只要使瓶的重心高于支点就行了)。气球内的氨水又流回试管,落到太阳光焦点上被加热(由于气球被水浮起,氨水回流干净)。完成了第一个工作循环。紧接着第二个工作循环……这样水就会被一吸一压的排上高处。

为了提高效率,增大排水量,还可以装置两个水瓶,交替工作。

利用阳光进行光学实验效果好

利用阳光通过幻灯反射装置,还可以进行原电池极板反应放大观察等化学实验。由于阳光很强的平行光且是复色的白光,实验效果很好(只是受到天气的限制)。实验关键是用平面镜将阳光反射入室内,山东汶上二中宋显渭老师校从六十年代起就开始利用太阳光在教室或实验室里做光的反射定律、折射定律、凸透镜光会聚作用、凹透镜对光发的散,以及白色光透过三棱镜的色散……等实验。下面是山东汶上二中宋显渭老师举了两个实例。

(1)光的折射:平面镜1用万能夹夹住,平面镜2用铁夹夹住,狭缝3可用纸板;4为圆形光具座,5是半圆玻璃砖。利用它可演示折射定律,若将玻璃砖换成小平面镜即可验证光的反射定律。

(2)光的会聚:平面镜1、光具座2、凸透镜3、多缝4(可用纸板刻)。实验时,平面镜、多缝、凸透镜要同高。

同凹透镜代替凸透镜即可演示光的发散现象。

“光的折射”实验的简易装置

演示实验的成败直接影响整节课的效果,为了提高教学效果,浙江省上虞中学陈培正老师介绍经常采取简易的办法,设附图光的折射计了一些实验取得了较好效果,比如《光的折射》有一实验,盛水烧杯的底部放一硬纸板,用棒瞄准,按理应刺不中,可学生常能刺中,这是因为学生在刺的过程中改变了方向,能用如附图装置,则很成功。取一玻璃管夹在讲架台上,调节管子方向,让眼睛通过管子瞄准小球,用细直棒穿过管子刺小球,则能收到预期效果。本实验可让一学生在讲台上做,全班同学都能看清过程和结果。

合成白光的实验

对于“说明各色光通过凸透镜后又合成了白光”的实验,是一个可以做得非常成功的实验:

用太阳光做光源,凸透镜的焦距为15cm。当透镜与棱镜间的距离为27cm时,把白屏放在距透镜约为33cm处,在屏上就会看到很清晰的白色光带。改变透镜至棱镜间的距离(必须大于透镜的焦距),也总可以很容易地找到适当位置的屏看到白色光带。河北青龙县教委会教研室金尚英都老师们详细说明如下:

一束平行白光经棱镜色散后分解为彩色光带,其中各种颜色的光束经凸透镜折射后,分别通过各自的焦点,然后在一位置上汇合,白光就在这位置上合成。如果把白屏放在这位置,就会在屏上看到一条白色光带。取一束频率最高的紫光和一束频率最低的红光画成。

ABCD表示狭缝,A′B′C′D′表示由棱镜的第二折射面射出处的光带,A1B1C1D1表示射在凸透镜上的彩色光带中的频率最低的红光束,A2B2C2D2表示频率最高的紫光束,A″B″C″D″表示在白屏上合成的白色光带。

应该注意到,屏上的A″点与A、A′、A1和A2各点对应,同样,B″与B、B1、B1和B2对应,,这可以通过有趣的实验验证。

若用纸片将ABCD的A角或A′B′C′D′的A′角遮住,就会看到屏上原白色光带的A″B″C″D″的A″角无白光。

若用纸片将射在透镜上的红光束的右(A1B1端)下部分遮住,就会看到白屏上原白色光带的左(A″B″端)上部分变成了淡兰色;如果把射在透镜上的红光束的右端都遮住,则屏上原白色光带的左端全部变成了淡兰色。同样,把射在透镜上的紫光束的右上部分遮住,就会看到屏上原白色光带的左下部分变成了淡黄色;如果把紫光束的右端都遮住,则屏上原白色光带的左端全部变成了淡黄色;如果再把射在透镜上彩色光带右端的兰、绿、黄等色光也遮住,只让红光通过,则屏上原白色光带的左端就完全变成了红色。

如果取垂直于棱镜的棱A并通过透镜L主轴的平面上的光路画成光路图。当屏放在ab处时,在屏上应出现白色光带;而将屏向透镜方向移动时,屏上应出现下沿为红色上沿为紫色中间为白色的光带;将屏向远离透镜方向移动时,在屏上应出现上沿为红色下沿为紫色中间为白色的光带。

根据凸透镜成像规律,明确下列几点:

1要想在屏上获得清晰的白色光带,透镜到棱镜间的距离必须大于透镜的焦距。

2透镜距棱镜越远,则屏距透镜越近,屏上的白色光带越小、越亮;透镜距棱镜越近,则屏距透镜越远,屏上的白色光带越大、越暗。

3屏上的白色光带A″B″C″D″是棱镜第二折射面上A′B′C′D′的倒立的实像。

4白光不是在各色光各自的焦点处合成的。

如果把屏放在各色光的各自的焦点处,我们在屏上看到的仍将是彩色光带(其长度要比狭缝短得多,但很明亮),这时,屏上的彩色光带的每一点上的彩色可以近似地认为是由一种频率或频率相近的单色光形成的。这正是分光镜的原理。

有些同志之所以认为这是“一个做不成的实验”,也许就是因为把光屏放在这个位置上的缘故,确实课本中的图也是把屏放在这个位置上,但它只是示意而已,不可求全责备的。

测定水的折射率的实验改进

高中物理(必修)第二册测定水的折射率的小实验中,用直尺做实验,由于外界光线的干扰,加之刻度尺上的刻度不清晰,实验效果不明显,误差很大,山东庆云县第一中学袁俊强老师作如下改进。

器材:铁架台、刻度尺、细线、红细铁丝、烧杯、水、绿豆。

原理:利用平面镜成像规律和光路的可逆性原理,把水面看成一平面镜,红细铁丝在水中可以成一虚像。人在烧杯右上方看绿豆时,看到的是由于光的折射而在水中所成的像,让红细铁丝及绿豆的像重合。利用这一特殊位置,根据三角形的边角关系,我们就可以把角比例问题转化为边比例问题,求得水的折射率。

步骤:

(1)烧杯中注满水,用黑纸齐烧杯口贴紧,放在铁架台上。

(2)铁架台一侧放一刻度尺,在铁架台升降架上套一细线,细线下拴一红细铁丝。最后把绿豆放于烧杯底部边缘。

(3)用眼睛在烧杯的右上方观察绿豆,同时调节红细铁丝的高度,使红铁丝在水中的像与看到的绿豆重合。

(4)读出铁丝到杯口的距离d1和烧杯高d2,再测出烧杯内径l,根据折射率公式可以算出水的折射率:

n=sinisinθ=1d21+l2ld22+l2=d22+l2d21+l2优点:(1)烧杯外贴黑纸,可以避免外界光线的干扰,易观察。

(2)光从一种介质进入另一种介质时,频率不变,即颜色不变,绿豆和红细铁丝的颜色使得它的像更加清晰,从而减小了测量的偶然误差。

(3)由于光的折射,绿豆的像并不是垂直上移,让铁丝及绿豆的像重合,从而减小了系统误差。

测定玻璃折射率实验的改进(一)

测定玻璃的折射率通常采用传统的实验方法,即所谓“插针法”。

插针法的弊端

插针法测折射率,是相当粗略的,准确度差,步骤又比较麻烦。

从理论上看,插针观测,存在“曲直两难”的矛盾。何谓“曲直两难”?插针法所依据的是光在同一均匀媒质中直线传播的原理。然而,大头针是有一定粗细的,在距离不大的情况下其粗细不可忽略。正由于光的直线传插,通过大头针P3去观察P1和P2的像,P4去观察P3和P1、P2的像,就不可避免地带来所谓“一叶障目,不见泰山”的视角障碍。即使P3挡住了P1、P2的像,P4又挡住了P3和P1、P2的像。由于视角障碍,仍不能保证四个插点就在同一直觉视线上。

P1P2跟P3P4两线实际偏差很大,可是,只有要求光线发生“拐弯”才能在观测点E观察得到。当然,光线是不会拐弯的。这就是插针法的“曲直两难”。

插针法在实践上也还是比较麻烦,学生掌握起来有一定困难。要是针插得与纸面垂直不好,或针位稍有偏移(平板较硬,往往难于避免),都直接影响观测的准确;特别是当入射角较大,入射光经玻璃折射后透过光量较少,色散严重,致使P1、P2针的虚像模糊、变粗,更进一步增大瞄准的难度。

由于实测结果的误差大,致使入射角正弦值与折射角正弦值之比,多次测算的结果出入较大,常引起学生对折射定律的怀疑,不利于通过实验加深对规律的认识。实验确实有待于改进。

湖南省资兴矿务局一中胡耀炽老师结合以往教学经验,对实验做了如下改进,取名为“规尺法”,实验效果比较理想。

规尺法实验要领规尺法测玻璃折射率,除了被测元件玻璃砖之外,只需一块三角尺,一支圆规、一支铅笔和一张白纸(或作业本),取材简单。具体做法如下: