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7章 几何光学实验的操作与改进设计(6)

实验时,直棒指向学生,接通电源,学生在直棒的外端可见光线射出,而不能够在另一个玻璃棒的弯曲部分看见光,然后,再用白纸放在弯棒前端近处,这时,在纸上出现光斑,可证明光能沿弯曲的玻璃棒经全反射进行传播,从而说明了光导纤维的导光原理。改进后的装置材料易找,结实、耐用、方便,演示时原理说明简洁,效果明显。

简单明了的光纤实验

光导纤维(简称“光纤”),在现代科学技术中有着广阔的开发前景,其高效力传播光的基本原理就是光的全反射理论。山西永济市涑北中学杨云芳老师设计可以通过以下两个简单易做的实验演示光在光纤中的传播。

实验一

取医用一次性输液器一个,剪去输液器滴斗的下部分,并留下与滴斗上部相连的细管10cm左右作为光纤。用手握紧滴斗作为暗箱,以阳光(或电筒)为光源照射细管一端时,在暗箱的另一端观察,会发现管壁变亮,说明光能在管壁内通过多次全反射而传播,既使细管打折180°的角度,效果也很明显。

实验二

取一大小适当的容器(麦乳精铁盒即可),在距容器底部约6mm处钻一直径约为5mm的孔,使之在容器盛水时,能从小孔射出一水流。取一25V的聚光小电珠,用漆包线作电线,焊接在电珠尾部,并用蜡把电珠尾部封好(起绝缘作用)。把电球安放在容器底部的小孔附近。盛满水后接通电源(两节干电池串联),让水流落在平面镜上。光在水流中经多次全反射传播,可在平面镜上形成一亮斑。此实验需在暗室中进行。

用声音控制演示光的全反射现象

高级中学物理课本上演示光的全反射现象有二个缺点:(1)入射光线、折射光线、反射线的可见度较小;(2)不利于全班学生观察。湖南涟源三中刘如升、李银江老师通过光导纤维应用演示器用声音控制来演示光的全反射现象不仅实验效果明显,而且极大地激发了学生的学习兴趣,取得了良好的教学效果。现将实验过程介绍如下。

取光导纤维演示器和玻璃砖装置。其原理是这样的:发射端将声音信号转变成光信号,光信号通过光导纤维送到玻璃砖的边缘P点,从P点射入的光线射到玻璃砖的直边上时发生反射和折射,光线Ⅰ和Ⅱ,如果有折射光线射到接收端的灯泡上,接收机就可发出美妙的音乐,否则就不发声,即没有折射光线,只有反射光线。实验时,先将光导纤维的右端点移到使入射角等于零度的位置,将接收端灯泡移到O点,此时可听到接收端发出清脆的音乐声;然后慢慢移动光导纤维的右端点,使入射角i增大,这时会听到音乐声逐渐减弱,直至消失(若怀疑有折射光线,但没有射到灯泡上则可将灯泡在玻璃砖的直线上移动)从而直观地演示了光的全反射现象。另外,若事先在玻璃砖下放一张白纸,记下玻璃砖的位置,然后按照上述演示实验方法,通过反复移动光导纤维右端点和灯泡的位置,可以在玻璃砖上找到使接收机恰好不发声的准确位置P点,并将P点记录在纸上,作出光路图,此时的入射角i就是玻璃的临界角C,根据折射定律,即可测得玻璃的折射率n=1sinC。

对全反射实验的改进

高中物理课本第二册(必修)中,介绍了光的全反射现象的演示实验。该实验是利用半圆形玻璃砖来演示的,从表面上看很容易演示成功,但我在教学实践中发现,学生不易观察到入射光线和反射光线,而折射光线更难发现,其原因是在玻璃和空气中都不易观察到光线的传播路径。因而,就看不到:当光从玻璃射入空气时,随入射角逐渐增大,折射光线离法线越来越远,而且越来越弱,反射光线越来越强的现象。为此,山东阳信一中刘同堂老师对本实验作了改进。

用乳白色的氢氧化铝胶体代替玻璃砖是我的第一个改进;第二是把乳白色的氢氧化铝胶体放入三面是黑色一面透明的玻璃缸中,玻璃缸底部放置一块平面镜;第三是在胶体上方吐上烟雾,让红色的激光光束从烟雾射入胶体,通过平面镜反射,再从胶体中射出,实现从光密介质射入光疏介质这一全反射的必要条件。实验结果表明,经过改进后,红色激光光束的入射光线、反射光线、折射光线都清晰可见,全反射现象十分明显。

实验操作要点(1)取一个三面黑色、一面透明的玻璃缸,缸底放置一平面镜,镜面朝上。然后,把缸中放入适量的乳白色氢氧化铝胶体。

(2)取一支香烟向胶体上方吐几口烟雾,并用纸片把玻璃缸上端开口盖住45左右。

(3)用氦氖激光器射出一条红色光束,让光束从一边射入胶体中的平面镜上,可看到平面镜上反射出的光束射入胶体和雾气的交界面时,既发生折射,又发生反射,三条光线都很清晰。

(4)逐渐改变光束的照射角度,就会发现:随着光束从胶体射入烟雾时的入射角的逐渐增大,折射光线逐渐远离法线,而且越来越弱,而反射光线越来越强。当折射光线到达水平面上时,再增加入射角,折射光线立即全部消失,只剩下反射光线。

做本实验时,需注意玻璃缸中的胶体应占25左右,以便使折射光线清晰可见;同时,还应区别开光从烟雾射入胶体时的反射光线和从胶体射入烟雾时的折射光线。

该实验改进后,简便易做,实验的清晰度大大提高,为学生理解全反射现象打下了坚实的基础。

用玻璃酒瓶做光导实验

取一个无色酒瓶,截去其底部,瓶口塞上木塞或橡皮塞,瓶内外全部用照相黑纸包好,只留瓶口一圈和下部裂口。实验时在较暗处让学生看破裂口处,漆黑一团。当用手电筒从不同角度向瓶口照射,就可看到在裂口的某一部份有光亮。学生感到很新奇。

手电筒光射向瓶口,瓶底部裂口有光亮凹透镜焦距的测定方法

课本上介绍了凸透镜焦距的多种测定方法,如何测定凹透镜的焦距呢?课本上没有涉及,一般的光学书籍,也叙述得不多。上海延安中学吴家伟老师作了对凹透镜焦距的多种测定方法及其原理逐一介绍。

由于凹透镜是发散透镜,它所成的虚像不能在光屏上显示出来,它的焦距不可能直接测定,因此只得另想方法或借助于其它光学元件来解决。采用下述两种方法可以粗测凹透镜的焦距。

遮盖法

方法:在凹透镜中心贴一个半径为R的黑色圆纸片。另取一张白纸,在白纸上画一个半径为2R的圆。把白纸和凹透镜平行地放在太阳光下,让透镜正对太阳光,调节透镜和白纸间的距离,使黑纸片的影恰好和白纸的圆重合。然后测出凹透镜与白纸间的距离d,就等于该凹透镜的焦距。

原理:设凹透镜光心为O,白纸上圆心为O′,折射光线AA′,其反向延长线和主轴交于焦点F,AO=R,AO′=2R,因△FAO∽△FA′O′∴ff+d=R2Rf=d视差法

方法:在凹透镜前插一短针做物,在短针和凹透镜之间再插一长针,使得看上去短针、短针的像和长针在同一直线上;然后把眼睛略向左右两侧移动时,假使看见长针在短针像的或左或右地摆动,表示长针和短针像距人眼不一样远。移动长针前后的位置,直到看见长针和短针像没有相对移动为止,这时长针所插的位置,就是短针像的位置。分别量出此时短针和长针离开凹透镜的距离,即物距和像距,应用薄透镜成像公式,就可求得凹透镜的焦距。

原理:这是利用物体位置不同引起的像视差异现象,用长针来寻找短针在凹透镜前所成的虚像的位置,再应用薄透镜成像公式,求得焦距。

用一块辅助凸透镜和待测焦距的凹透镜组成一个光具组,使这个光具组具有会聚光线的作用,可将物体在光屏上形成一个清晰的实像。由此可演变出一些比较精确地测定凹透镜焦距的方法。

等效法

方法:把待测凹透镜放在一块凸透镜前,能使一束平行于主轴的光线通过两透镜后会聚在光屏上P处,量出两透镜之间距离d。再把凹透镜拿走,保持凸透镜和光屏的位置不变,将一点光源S放在凸透镜主轴上,前后调节S的位置,使S的像恰好也成在屏上P点,量出S到凸透镜的距离L,则该凹透镜的焦距f=L-d。

原理:既然平行光经凹透镜发散光线和点光源S射出的光线经凸透镜后都成像于屏上P点,则两者作用等效,即点光源S在主轴上的位置和凹透镜的主焦点F重合。因此凹透镜的焦距f=L-d。

虚物成像法

方法:物体P与光屏之间放置凸透镜,移动屏可在屏上得到一个清晰的实像,记下像的位置P′。固定凸透镜与屏的位置,再在凸透镜与屏之间的合适位置插入凹透镜,然后调整屏的位置,使屏上再次能得到物体清晰的实像,记下第二次成像的位置P″。分别量出先后两次所成的像与凹透镜的距离d和d′,代入公式f=dd′/(d-d′),便可求得凹透镜的焦距。

原理:一物点P经辅凸透镜所成的实像P′,就可视为凹透镜成像的虚物,再经凹透镜成的实像P″,d和d′分别为凹透镜的物距和像距,根据薄透镜成像公式,注意符号法则,有1-d+1d′=1f∴f=dd′d-d′

贴合法

方法:用一块焦距f1为已知的凸透镜,跟待测凹透镜贴合,组成一个光具组,使它具有聚光作用。然后测出此光具组的合焦距f,根据1/f=(1/f1)+(1/f2),即可求得凹透镜的焦距f2。

原理:对于由两个薄透镜合成的光具组的合焦距f,有关系式1/f=(1/f1)+(1/f2)-(d/f1f2)式中f1、f2分别为两透镜的焦距,d为两透镜间的距离。

若两透镜相接触,即d=0,则1/f=(1/f1)+(1/f2)

自准法

方法:先让点光源S经凸透镜L1成像于P点,测得像距L。然后在凸透镜和P点之间放置待测凹透镜L2,使它与L1共轴,并在L2右侧垂直于主轴放置一平面镜M。再移动凹透镜到合适位置,使S通过整个光学系统仍成像于S(点光源所在位置)的光屏上,且与M的位置无关,这时测得两透镜间的距离d,则所求焦距f=L-d。

原理:移动凹透镜,当S的像点P处于凹透镜的焦平面上时,经凹透镜折射后形成的平行光,将被平面镜M反射后按原光路返回。所以S的像和S重合,P与L2之间距离就是凹透镜的焦距。

测定凹透镜焦距的两种方法

初中物理课本介绍了测定凸透镜焦距的三种方法,但没有介绍如何测定凹透镜的焦距。江西省宜春县竹亭中学彭凯老师介绍了两种测定凹透镜焦距的方法:

贴纸法

在一张黑纸上挖一个半径为r的小孔,然后把它贴在凹透镜的中央,使孔的圆心正对着凹透镜的光心,另外在一张白纸上画一半径为2r的圆作为光屏。把光屏和凹透镜平行地放在太阳光下,使太阳光平行主光轴入射,经凹透镜折射后变为发散光束,投射到光屏上得到一个圆光斑。调节凹透镜与光屏的距离,当投射到光屏上的圆光斑恰好覆盖它原来画的半径为2r的圆面时,则光屏与凹透镜之间的距离就是凹透镜的焦距,可用刻度尺测出。

∵ff+L=r2r=12∴f=L。

凸透镜辅助法

把一个凹透镜放在凸透镜前相隔L′处,使一平行主光轴的平行光线经过两透镜后,会聚在光屏P点上。然后把凹透镜拿走,保持凹透镜和光屏的距离不变,再把一个点光源A放在凸透镜的主光轴上,使它的实像也在P点上,用刻度尺量出点光源A到凸透镜的距离为L,则这个凹透镜的焦距为(L-L′)。因平行于凹透镜主轴的光线成的虚像在虚焦点(A)处,而这束平行光线通过凹、凸透镜组成的透镜组后所成的实像在P处(此时,A可看做虚物),撤去凸透镜后,在A处换上实物,亦成实像于P,故知凹透镜焦距f=L-L′。

这种测量方法,还可以采用装置。让一点光源A经凸透镜成像于A′,加上凹透镜后成像于A″。用刻度尺量出A′和A″分别到凹透镜的距离,便可从公式1u+1v=1f求出f。

“凸透镜成像”实验的改进

初中物理教学中“凸透镜成像”的实验演示,通常都是将凸透镜、蜡烛和光屏安插在光具座上进行。实验效果尚可,但它不足的地方是光屏上所成的像不能面对学生,所以教师演示时,一定要不断移动光具座的位置,才能使全班学生看到,很不方便,也浪费许多时间,为了解决这个问题,上海市第21中学姜邦富、上海南市区教育学院戴振邦老师制作了一只“反射光屏”。使用反射光屏进行演示的装置。

使用反射光屏进行凸透镜成像的演示方法与传统的演示方法相同,所不同的地方是光线射到“反射光屏”中的平面镜上,竖直的平面镜与光具座轴成45°,经过反射,使像转过90°成在毛玻璃上,而毛玻璃的正面对着学生,学生直接可以看到成像规律的变化,较好地解决了传统演示中存在的缺点,提高了实验效果。

“反射光屏”的制作