基础性实验：趣味光学实验

光学基础性趣味实验光学基础性趣味实验 目 录 实验 1 光与彩虹（人造彩虹）.2 实验 2 人造彩虹 2 .3 实验 3 光的折射实例.5 实验 4 自制放大镜.6 实验 5 红外线实验的设计.7 实验 6 多功能小孔成像仪的制作.8 实验 7 自制针孔眼镜小孔成像的应用.9 实验 8 镜子中有无数个镜子.10 实验 9 日食和月食的演示.11 实验 10 制作针孔照相机.12 实验 11 用激光器演示光的直线传播.13 实验 12 全反射现象观察.14错误！未定义书签。错误！未定义书签。 欢迎下载2 实验实验 1 1 光与彩虹（人造彩虹）光与彩虹（人造彩虹） 思考：思考：你用什么办法能制作出与空中彩虹颜色一样的彩虹? 实验准备：实验准备：清水 1 盆、平面镜 1 个 实验操作：实验操作： 1取一小盆并加入 2/3 的水，再把镜子斜放于盆内； 2使镜面对着阳光，在水盆对面的墙上就能看到美丽的彩虹。 实验中的科学：实验中的科学： 将镜子插入水中时，在对面的墙上就能看到美 丽的彩虹。它是光的折射作用，实验表明：白光通过三棱镜后就会 分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种颜色的光，这就是光的 色散。这里镜面左侧的水就好像一个三棱镜，因而光射出水面后就 会发生色散，形成彩虹。 创新：创新： 想一想,还有什么办法,可以制造出美丽的彩虹? 欢迎下载3 实验实验 2 人造彩虹人造彩虹 2 准备材料：准备材料：水、一个玻璃杯、一张白纸。 实验步骤：实验步骤： 1 在玻璃杯中装满水，把杯子拿到阳光可以照射到的窗台上； 2 把纸放到阳光透过杯子投射进来的地方，这样在纸上就可以 看到彩虹的色彩。 实验中的科学：实验中的科学： 光线被水折射了，因而投射到纸上的颜色是阳光被分解之后的 颜色，原理跟天空中彩虹的形成是一样的。当阳光以 40 到 42 度的 角度照射空中的水珠时，阳光通过水珠时发生折射，投射到空中形 成了彩虹。 知识问答：知识问答：彩虹为什么总是弯曲的？ 想象你看着东边的彩虹，太阳在从背后的西边落下。白色的阳 光(彩虹中所有颜色的组合)穿越了大气，向东通过了你的头顶，碰 到了从暴风雨落下的水滴。当一道光束碰到了水滴，会有两种可能： 一是光可能直接穿透过去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前 缘，在进入时水滴内部产生弯曲，接着从水滴后端反射回来，再从 水滴前端离开，往我们这里折射出来。这就是形成彩虹的光。 水滴对光的反射，折射加色散形成彩虹。色散后不同色光出射 的方向不同，对一个水滴出射的光我们只有站在特定的观察点上才 能看见特定的颜色光，而我们平时是站在固定的观察点上去看空中 欢迎下载4 多个水滴，这样，不同水滴中出射的同一种色光能够到达眼睛，这 些水滴必然是在空中排成圆弧(相对观察者讲)。如果观察点移动， 就由一组新的水滴构成一个新的圆弧，其实我们每个人看到的并不 是同一个彩虹。 光穿越水滴时弯曲的程度，端视光的波长(即颜色)而定红 色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最少的 是紫色光。 每种颜色各有特定的弯曲角度，阳光中的红色光，折射的角度 是 42 度，蓝色光的折射角度只有 40 度，所以每种颜色在天空中出 现的位置都不同。 若你用一条假想线，连接你的后脑勺和太阳，那么与这条线呈 42 度夹角的地方，就是红色所在的位置。这些不同的位置勾勒出一 个弧。既然蓝色与假想线只呈 40 度夹角，所以彩虹上的蓝弧总是在 红色的下面。 彩虹之所以为弧型这当然与其形成有着不可分割的关系，同样这也 与地球的形状有很大的关系，由于地球表面为一曲面而且还被厚厚 的大气所覆盖，在雨后空气中的水含量比平时高，当阳光照射入空 气中的小水滴形成了折射，同时由于地球表面的大气层为一弧面从 而导致了阳光在表面折射形成了我们所见到的弧形彩虹! 欢迎下载5 实验实验 3 3 光的折射实例光的折射实例 思考：思考：当筷子插一半在水中时，看到的是筷子“折断”的样子， 这是什么原因呢？ 实验准备：实验准备：纽扣 1 枚、水少许、浅底盘 1 个、玻璃杯 1 个 实验操作：实验操作： 1.将纽扣放在盘中； 2.杯子杯口朝上，压在纽扣上； 3.一同学从侧面观察，另一同学往杯内慢慢倒入清水，倒着倒 着就会发现看不到纽扣了； 4.如果向盘子中加些水，慢慢可以看到纽扣又出现了。 注意：注意：观察纽扣时要从侧面观看，如果从纽扣上方观察，总能 看清纽扣。 实验中的科学：实验中的科学： 1.当杯子渐渐注入水时，由于光线折射，纽扣的影像会消失。 2.把水再加入盘子中，改变光的折射角度，纽扣影像会重新出 现。 想一想：想一想： 光由空气进入水中，或由空气进入玻璃中，就会产生 一些折射的现象，那么，就请你想一想，生活中还有哪些光的折射 事例呢 ？ 欢迎下载6 实验实验 4 自制放大镜自制放大镜 思考：思考：水也能当放大镜，你知道吗？ 实验准备：实验准备：水、保鲜膜、大碗 1 个、彩色珠子 实验操作：实验操作： 1. 把彩色珠子放入碗中，用保鲜膜封住碗。 2. 用手轻轻把碗口上面的保鲜膜向下按一些，使保鲜膜成倒锥 形。 3. 将水倒在保鲜膜上， 通过水看碗中的物体，观察彩色珠子 与平时有什么不同。 实验中的科学：实验中的科学：碗里的物品看起来大了不少，这是因为保鲜膜 上的水形似凸透镜，而通过凸透镜看到的物体往往会大于原有形状。 我们通常所说的放大镜就是凸透镜，中间厚而边缘薄。投影仪、照 相机、摄像机、显微镜等仪器的镜头就是凸透镜 。 欢迎下载7 实验实验 5 5：红外线实验的设计：红外线实验的设计 1 实验器的制作 (1)把内壁后面镀有银，功率为 250W，带灯座和电源插头的红 外线灯固牢在光学光具座的最左端上。 (2)用超粘胶把圆球形烧瓶的底粘牢在光学光具座烛台上，然后 把它装在光具座上红外线灯的右边，距灯约 20。 (3)用超粘胶把乒乓球粘牢在光具座另一烛台上，并把它装在光 具座上的圆球形烧瓶的右边。实验装置便安装完成。 2 实验操作 (1)调节光具座上的红外线灯、烧瓶和乒乓球，使灯丝、球形体 和乒乓球三者的中心点在同一水平高度的一条直线上。 (2)把含碘的二硫化碳溶液倒进圆球形烧瓶里，装满圆球形体 (碘含量能使溶液呈黑色为好)即可 (3)接上电源，开启红外线灯。 (4)含碘的二硫化碳溶液能吸收可见光而让红外线穿透过。这个 装有含碘的二硫化碳溶液的圆球形烧瓶，相当于一个凸透镜，当把 乒乓球左右移动至这个“凸透镜”的焦点上时，乒乓球就会被烧焦。 (5)把其他的易燃物或温度计的玻璃泡放在乒乓球的位置上时， 也会看到易燃物被烧焦燃烧起来或温度计的液柱迅猛升高的现象。 欢迎下载8 实验实验 6 6：自制针孔眼镜：自制针孔眼镜小孔成像的应用小孔成像的应用 实验原理：实验原理：小孔成像 实验器材：实验器材：两个直径 3040 毫米的软塑料瓶盖，大头针，打 火机 实验步骤：实验步骤：（1）用打火机把大头针烧红，在瓶盖中间扎一个小孔 （直径约 1 毫米）。（2）再在瓶盖两侧各扎两个小孔，用线穿起 来就是一副眼镜。 实验用途：实验用途：戴上这副眼镜，便能看清楚周围的一切。奇怪的是，不 管是 300 度、500 度的近视眼，还是远视眼，戴上它都能看清楚物 体。 实验解析：实验解析：运用了小孔成像原理。当光线通过小孔后，不管光屏远 近，成像总是清晰的。人眼睛的视网膜，就好像是个光屏，一般情 况下近视眼的人，成像在光屏之前；远视眼的人，成像在光屏之后。 成像不在光屏上，所以看不清楚。加了小孔之后，不管近视远视， 欢迎下载9 都能在视网膜上成像了，所以看得清楚了。此技术已经进入日常生 活。 实验实验 7 7：制作针孔照相机：制作针孔照相机 制作步骤：用两个口径相差不大的易拉罐。在口径较大的易拉罐 底部中央用钉子打一直径为 1mm 的小孔，把开口的一端放在砂纸上 磨一磨，去掉前盖。把另一个口径较小的易拉罐后端放在砂纸上磨 一磨，把后端去掉，再在这一端蒙上半透明纸或塑料薄膜作为成像 屏。把口径较小的易拉罐蒙着成像屏的一端向里小心套进口径较大 的易拉罐中，小孔照相机就制作成了。你可以让小孔对准光亮的物 体，眼睛从口径较小的易拉罐口往里看，就可以看到所观察物体的 像了。你也可以把口径较小的易拉罐前后拉动一些再进一步观察， 看一看景物的像大小怎样变化。你如何解释景物所成的像和像的变 化呢？ 欢迎下载10 原理揭秘：针孔照相机的原理是光的直线传播。根据几何知识， 景物所成的像和景物是相似的。屏离小孔的距离不同，相似比大小 不同，所成的像自然发生大小的变化。 实验实验 8 8：镜子中有无数个镜子：镜子中有无数个镜子 步骤:取两个小圆镜（市面上能买到）正面相对，你观察镜子会看到 奇怪的现象一个镜子中有无数个镜子出现。 原理揭秘：正面相对的两个镜子甲、乙，甲相对于乙是个物体，可 以在乙中成一个像，这个像相对于甲镜子又是一个“物体”，在甲 镜子中成像，在甲镜子中成的像相对于乙镜子又是一个物体再次在 镜子乙中成像，如此不断的有“物”出现，就有无数个大小相同的 像出现在镜子中，因此，在甲、乙镜子中都能看到无数个镜子。 扩展：一个物体在两个互成角度的平面镜中能成几个像？ 取两个平面镜使其镜面相对互成角度，在两镜之间夹角处放一硬币， 改变两平面镜的夹角，看看在镜子中能找到几个硬币的像。 现象：观察中发现，两个镜子之间夹角大于 90，在每个镜子中只 能成一个像。两个镜子之间夹角等于 90，在每个镜子中成一个像， 在镜子交角处成了一个像或者在一个镜子中看到两个像，在另一个 镜子中看到一个像），（总共有三个像出现。当继续减小两镜之间 欢迎下载11 的夹角，会看到每个镜子中的像的个数逐渐增加，当两个镜子之间 夹角为 0时，每个镜子中又有无数个像出现。 原理揭秘：实际上，两个镜子之间夹角为 0和 180是特例。夹角 为 180时，两个镜子在一个平面内，两个镜子中只能成一个像。 0时相互平行，情况和“两个平面镜镜面相对的成像观察”相同。 夹角为锐角时，成像原理和夹角成 0是类似。 实验实验 9 9：日食和月食的演示：日食和月食的演示 【器材】:地球仪，皮球，蜡烛。 【操作】 （1）在桌上放一支蜡烛（代表太阳），一只手拿地球仪，另一 只手拿皮球（代表月亮）。 （2）使“地球”围绕“太阳”转动，“月亮”绕“地球”转动。 当“月亮”转到“太阳”与“地球”之间时（使三者处于一条 直线上），“月亮”的黑影落在地球上，形成日食，如图（a）所示。 当“月亮”运行到“地球”的背后，这时“地球”处在“月亮”与 “太阳”之间（三者在一条直线上），“地球”挡住了“太阳”射 欢迎下载12 向“月亮”的光线，形成月食。全部挡住是月全食，挡住一部分是 月偏食。如图（b）所示。 实验实验 1010：多功能小孔成像仪的制作：多功能小孔成像仪的制作 制作材料： 内外筒用 PVC 管；光屏用半透明绘图纸；固定插槽和铝制插 片用易拉罐；观察孔和小孔封闭端用薄铁皮；外包装用自贴纸；黑 油漆。 1解决光屏过亮的问题。将成像仪主体改为两个短长不 一，可相互套着并能抽拉的内外圆筒（内壁涂黑油漆），外筒长约 32CM，一端封闭，中间只留一个（直径 8MM）的小孔（母孔），开 口端可套内筒。内筒一端贴光屏，另一端封上只留一个长方形的观 察孔(8CM*2CM)，内筒较外筒略长，考虑到，人眼的明视距离，内筒 长度约为 34CM。将内筒有光屏一端插入外筒。两筒相套，这样内外 筒便成了光屏的暗室，不论在暗室观察烛光，还是在白天光线强的 情况下均能看清像，可抽动的内外筒，还解决了可调节光屏及像距 这一问题。 2解决可调节孔的大小和形状这两个问题。在母孔的外侧装上两个 固定插槽，用来固定铝制插片，插片上钻几个形状各异或大小不同 欢迎下载13 的小孔。这样更换和抽动插片，即可实现改变不同形状或大小不一 的孔来观察实物。 3解决观察像的大小问题。在光屏画上十字形标尺，即可方便读出 像的大小。 4解决直接读出像距的问题。在内筒上画出（或贴上）像距标尺即 可。 将小孔对准观测物，通过内筒的观察孔，可以清晰地看到光 屏上呈现出观测物倒立彩色的像。抽拉内筒或更换插片，便可以看 到不断变化的像等其他各类现象。 实验实验 1111：用激光器演示光的直线传播：用激光器演示光的直线传播 【器材】连续输出的氦氖激光器，火柴。 【操作】 （1）接通激光器电源，使激光器工作。激光器射出一束光束（在清 洁的室内空气中悬浮的微粒少，光束径迹看不太清），在黑板的左 面（或右面）墙上打出一个红色的光斑。 （2）向激光束经过的空间喷烟，立即显现出一条鲜艳的红色光束。 （3）断开电源，使激光器停止工作。 【注意事项】 （1）激光电源和激光管工作电压较高，操作时要注意安全。 （2）严禁有意识地把眼睛直接对着激光束观察，以免损伤眼睛。为 了防止意外，可以采用以下两条措施：一是注意激光器的放置位置， 使激光束射向黑板左面（或右面）的墙上，而不要面向学生。要把 欢迎下载14 激光器放得稍低一些，不要让激光束与人的眼睛等高。二是只有在 用激光时再接通电源，不用时随手关闭。 实验实验 12：全