自制光的反射、折射定律动态演示器

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  光的反射、折射规律是光学的基础定律,也是研究光现象的重要依据。关于这两个规律的建构,一般的做法都是,针对这两个规律涉及的每一个现象,然后选用专门的仪器进行探究,对知识点实施各个击破。这样做的感觉是,演示效果单一,动态不强,为此,我们进行了改进,设计以简单、形象、易操作、综合性强、动态效果明显为目标,制作了光的反射、折射规律动态演示器,如图1所示。
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  器材带站柱的透明塑料水槽、截取的塑料水槽(靠一个底角截取一个水槽的四分之一部分),激光灯、能显示角度的白色圆盘、金属管、棉线、橡皮筋、细针、小平面镜、水槽、小磁铁(6块)、玻璃板(2块)、502强力胶、哥俩好、水、牛奶等。
  制作方法
  (1)组装水槽:将截取的水槽倒扣在完整的水槽上,两水槽间用502强力胶固定,倒扣水槽的一端固定圆形金属滑轨,如图1所示。
  (2)安装金属支架:金属支架是一个细长方体空心铁管,靠近水槽一侧用502强力胶把金属支架固定在水槽底上。站立的金属支架中间有打通的小孔,便于细针能够从前穿到后,这样做的目的是把针孔作为光线的入射点。
  (3)组装激光灯:摘掉激光灯帽,让细棉线穿过激光灯帽固定在激光灯头内,然后把激光灯帽拧到激光灯上。接着,把激光灯嵌入安装在金属滑轨上的激光灯座内。当棉线拉直时,激光就会沿着拉直的棉线传播;棉线的另一端穿过细针孔,再连接到一段橡皮筋上,橡皮筋的末端连接到小磁铁上。棉线中连入一段橡皮筋,这样能保证这段棉线具有一定的弹性。
  (4)安装“法线”:在针孔内穿入另一条细棉线,细棉线的上端与小金属体连接,这段棉线中接有一段橡皮筋,目的是让棉线具有弹性,小金属体贴在倒扣水槽的内壁,倒扣水槽的外面放有小磁铁,小金属体和小磁铁隔着水槽壁相吸,细棉线的下端坠一个小金属块,在磁性和重力的作用下,细棉线在竖直方向上拉直。
  (5)安装平面镜:用哥俩好胶把小条形平面镜固定在小铁片上,小铁片吸附在小磁铁上,凭借磁铁吸铁的特性,把这个组合体放到水槽中的金属支架上,穿线的针孔紧贴在条形平面镜镜面上,这样针孔就能作为入射光线的入射点。
  实验展示
  1。探究光的反射定律
  (1)探究反射光线、入射光线、法线之间的关系:打开激光灯并移动,把穿过激光灯帽的棉线拉直,让光线沿棉线传播,这时的棉线相当于入射光线;调节竖直的棉线,使其垂直于镜面,该棉线相当于法线;调节水槽外部的磁铁,使反射光线沿拉直的棉线传播,这时拉直的棉线相当于反射光线;以上现象如图2所示。从侧面观察,可发现反射光线、入射光线、法线三者在同一平面内。
  (2)探究反射角与入射角的大小、反射光线与入射光线的分布问题:将能显示角度的白色圆盘的圆心固定在穿过金属支架的细针上。让激光沿着棉线传播,不断进行调节,直到能同时看到入射光线和反射光线,如图3。让激光灯沿着金属滑轨滑动,改变入射角的大小,比较每一次反射角和入射角的大小,可总结反射角和入射角的大小问题,同时还能观察到反射光线和入射光线的分布问题。
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  (3)探究光路的可逆性:在图3中,能同时看到入射光线和反射光线,这时保持激光灯的位置不变,熄灭激光灯,让另一激光灯逆着反射棉线入射,可观察到反射光线将会逆着原来的入射光线反射出去,说明反射时光路可逆。
  2。探究光的折射规律
  (1)安装小磁铁:在水槽底部两侧各放一块小磁铁,两磁铁通过水槽壁相吸,与激光灯相连的小磁铁放在水槽内侧,另一磁铁置于水槽外侧,通过拖动外侧磁铁来移动水槽里面的磁铁,进而达到调整水中棉线的位置。
  (2)水槽中注水:通过水槽里面的磁铁,将针孔与小磁铁之间的棉线拉直。然后向水槽中注水,注水的水面与针孔接触,这样能保证针孔处就是入射点。
  (3)探究折射光线、入射光线、法线之间的关系:打开激光灯,让激光沿着拉直的棉线传播。调节水槽外侧的小磁铁,使进入水中的激光沿着水中的棉线传播,如图4所示,这时水中的棉线就相当于折射光线。从侧面观察,就会发现折射光线、入射光线和法线在同一平面内。
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  (4)探究折射角与入射角的大小关系、折射光线与入射光线的分居问题:将白色圆盘再安装到金属支架上。沿金属滑轨移动激光灯,改变入射角的大小,同时调节折射光线,直到能同时看到入射光线和折射光线为止,如图5所示。不断改变入射角的大小,每一次都比较折射角和入射角的大小,可归纳总结折射角和入射角的大小关系,同时还可探究折射光线和入射光线的分布关系。
  (5)探究光路的可逆性:在图5的光路中,保持入射光线和折射光线的位置不变,熄灭激光灯,让另一激光灯逆着折射棉线入射,可观察到折射光线将会逆着原来的入射光线传播出去,说明折射时光路是可逆的,还可引申出光从水中进入空气中,折射角大于入射角的结论。
  制作自评自制的光的反射、折射规律动态演示器具有以下优点:
  (1)实验更科学、合理。传统的光的反射、折射规律探究,都是让激光贴着平硬纸板面、或平塑料板面传播,由于激光束较细,有时看到了传播的入射光线,却看不到反射光线、或折射光线,或者是看到了反射光线、或折射光线,却看不到入射光线,本制作攻克了这一难点。
  (2)实验现象更明显、直观。让光线沿棉线传播,通过棉线显示光路,直观、形象。当然,为让光线沿棉线传播,学生操作时,需要用心调节,这样即培养了学生的动手能力,也提高了学生解决实际问题的能力。立足事实,用心操作,仔细观察,符合学生的学习认知方式。
  (3)实验更简洁、明快。①实验操作简单。棉线拉直,调节棉线的方位,直接让光线沿棉线传播;调节激光灯的位置,改变入射角的大小,操作起来极其简便;②实验器材易得,本制作所用的实验器材在生活中很容易找到,如激光灯、水槽、棉线等。用这些学生生活中的常见物品进行实验,可以激发学生学习物理的兴趣;③本实验没有什么损耗,且可以重复使用,省时省力,干燥后可以在实验室储存。
  (4)实验更清洁、环保。为显示光线的传播,原来的做法都是让光线在弥漫蚊香的密闭玻璃容器中进行,打开玻璃盖时蚊香容易从玻璃容器中跑出,蚊香有毒,不利于实验时师生的身体健康。本制作避免了这一点,且不会造成安全事故。
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