水流模拟光导纤维通信传播教具制作

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摘 要：科学教育出版社物理选修《光的全反射》中，应用简单的实验――半圆形玻璃砖，向学生介绍了光的全反射，在新课程标准理念的指导下，我们选取简单的器材制作出能够演示光的反射与光导纤维信号传播的教具，向学生直观演示光的全反射。

关键词：全反射；新课程标准；光导纤维传播；流水束

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）6-0060-2

1 传统演示实验

在科学教育出版社物理选修《光的全反射》中，为了让学生更好地理解光的全反射现象，通过演示用激光沿透明半圆柱形玻璃砖的半径射到直平面上，光经过平面由玻璃进入空气中，入射角从小到大不断改变，向学生介绍光的折射以及光的全反射。

（1）当激光沿半径垂直入射到直平面时，此时入射角为0 °，折射角也为0 °，光线沿直线射出。

（2）当入射角增大一些时，会有微弱的反射光和较强的折射光线。同时，可观察出反射角等于入射角，折射角大于入射角。

（3）随着入射角的逐渐增大，反射光线越来越强，而折射光线减弱，当入射角增大到某一“临界角度”时，折射角达到90 °，折射光线消失，只剩下反射光线，若继续增大入射角，仍然只有反射光线，没有折射光线（见图1）。这就是当光线从光密媒质射入光疏媒质时经常发生的“全反射现象”。

2 演示光导纤维传播实验教具制作方案

根据新课标对教学的要求，课堂上不仅应该让学生掌握好全反射的知识，而且也应当了解该知识的重要应用。在教材中，有全反射的应用――光导纤维的讲解，我们进一步参照互联网网络上查询的相关知识，采用生活中常见的器材，创建了一个实验环境，使之能够达到发生全反射的条件。因为当激光在玻璃、水等光密介质中传播并向空气出射，可以达到全反射所需条件。因而可以用水流束模拟光导纤维管，用激光照射，激光在水流内发生全反射并向前传播，以此模拟光导纤维管内激光的通信传播（图2）。

所需实验器材包含三脚架1个，试管夹2个，塑料瓶（带孔）1个，激光笔1只，水槽1个，黑纸板、白纸若干。

用三脚架固定塑料瓶（带孔）和激光笔，调节两者的相对高度，使激光入射并能够能从小孔出射。水槽接收塑料瓶流出的水，立体白板接收激光投影，以便观察实验现象（如图3）。

3 利用新教具进行实验

结合全反射内容知识可以知道，当激光从小孔另外一端水平入射时，如没有水，则在均匀介质中应该沿着水平出射。由于水流呈抛物线流下，在光准备从小孔的水流出射到空气中时，也就是从光密介质到光疏介质出射，而入射角已经超过“临界角度”了，达到了发生全反射的条件，所以激光束将发生全反射。故从理论上来讲，在水流中的激光将呈折线传播。结合实验装置我们可以观察到激光在水流中的传播（见图4）。

（1）激光入射后，流水束因为有少量激光的散射由无色变成红色；

（2）激光入射后，激光传播到水槽中，水槽内有一红色亮斑；

（3）激光入射后，立体白板有投影，随着水流弯曲度的变化，激光的传播路径也随之变化（见图5）。

通过实验现象看出，本实验可以很好地 诠释全反射现象的重要应用，并让学生明白利用光纤可以使光讯号沿曲线传播。

4 总 结

通过自己动手教具的设计和制作工作，同学们能认识到物理知识并不是死板的知识点、考点，而是能够通过自己的想法、设计使之制作成有意义的作品的。并且，物理现象的应用和日常生活都是紧密相关的。