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摘要：用艾草烟显示光路是一种健康环保的实验方法，形成的光路具有清晰和稳定持久的优点.自制以艾草为烟雾源的光路演示器，演示器利用丁达尔效应来显示光路，利用单片机控制风扇、舵机、电热丝和步进电机的工作状态，具有灵活高效的优点，可以广泛应用于光路的显示实验.
关键词：光路；烟雾；艾草
作者简介：徐忠岳（1975-），男，浙江舟山人，本科，中學高级教师，研究方向：高中物理学科教学.
光路的显示一直以来都是中小学光学实验设计的主要难点之一.目前光路显示的主流方法可以归纳为两种：一种是通过柱状或棱形玻璃（或其它透明物质）扩束的方法来显示光路；另一种是利用丁达尔效应来显示光路，比如在空气中喷入烟或水雾，在水中加入牛奶、豆浆或氢氧化铁等形成胶体.第一种方法是一种平面显示光路的方法，虽然操作比较方便，但现象不够直观，且受到光线扩束特点的制约（必须有平整的屏板来展示光路），适用范围也比较窄[1].第二种方法是一种立体呈现光路的方法，但缺点也是很明显的，要求密闭的容器给实验操作带来很大的麻烦，导致使用范围非常局限；另外水雾很不稳定，光路往往断断续续，而且光路不是很明显，需要在比较黑暗的环境中进行[2].
因此，设计一种可以稳定、立体和清晰地呈现光路的实验仪器是非常必要的.利用艾草烟来显示光路是一种健康环保的实验方法，形成的光路具有清晰、稳定持久的特点，可以广泛应用于光路的显示等光学实验.
1实验原理
烟雾控制器利用单片机控制风扇、舵机、电热丝和步进电机的工作状态，通过红外遥控实现对舵机加料（艾叶）、电热丝点燃艾叶、风扇排烟、步进电机运输灰烬和烟雾量等环节的控制.烟雾控制器产生的“艾烟”通过一根不易压折的弹簧软管输送到透明雾箱，利用丁达尔效应在雾箱内演示各种光学实验.
2主要实验材料
丝杠导轨一套（附滑台和42步进电机，行程12cm），39步进电机一只， 12V铅酸电池一只，单片机开发板一块（Arduino UNO），L298N电机驱动模块两个，5V继电器两只，SG90舵机一只，红外遥控器一只，8025HSL型风扇一只（DC12V），12V汽车点烟头一只，AZ-7121型限位开关2个，水斗金属过滤网一块，牙线盒一只.5mm和3mm厚的有机琉璃板若干，焊锡、接线柱和导线等.
3烟雾源的选择
3.1各种烟雾效果（光路的清晰度和稳定性）对比
丁达尔效应与颗粒的直径大小有关.光在胶体中传播时，如果其中的粒子直径远大于入射光波长，发生反射现象；如果粒子直径稍小于或接近入射光波长，会发生明显的丁达尔效应[3].另外演示光路还必须考虑烟雾的稳定性.比如用水雾来显示光路效果不好，因为水雾受重力作用容易下沉，光路断断续续、很不稳定，持续时间也最短；而且水雾颗粒相对较大，所以形成的丁达尔现象并不是很明显.因此选择合适的烟雾源是光路显示的关键.
首先对舞台烟饼、电子烟、艾草、蚊香、佛香、各种叶子、枝条和加湿器等多种器材产生的烟雾进行初步的对比实验.把各种烟雾分别通入一只透明的盒子，用激光照射观察光路.发现加湿器（超声波雾化）产生的水雾效果最差，电子烟、舞台烟饼和艾草的效果都很不错，表现为光路明亮清晰，但稳定性（维持时间）并不相同.
实验发现在前10分钟之内，三种烟雾的效果区别不大，很难区分好坏；15分钟时可以发现电子烟的效果相对较差；30分钟后发现艾草烟的效果略好于烟饼；1小时后电子烟雾中的光路几乎消失，艾草烟中的光路明显好于烟饼.综合健康和实验效果因素，艾草是相对较好的选择.
3.2各种艾草产品焦油含量对比
实验中发现艾草燃烧时会产生焦油，焦油附着在容器壁上会降低实验箱的透明度.
如图1所示，分别称取等质量（5克）干燥的艾粉、艾绒或艾柱（也称艾条）等艾草产品进行试验.先把它们在无风环境中点燃，在艾烟上方罩一只1000mL的烧杯，待艾草燃尽后用纸巾擦拭烧杯底部，发现艾绒燃烧产生的焦油量最多（纸巾最脏），原色艾柱产生的焦油量最少.所以建议用原色艾柱来做实验.
4烟雾控制器和实验箱的制作
4.1烟雾控制器的制作
制作烟雾控制器是为了便于产生和控制烟雾，特别适用于需要多次使用烟雾或者需要大量烟雾的实验.如图2～5所示，控制器的尺寸是21cm×18cm×27cm（长/宽/高），箱体用5mm厚的有机玻璃板制作，底板处有通气孔.控制器利用Arduino单片机来控制电热丝、电机等，控制电路位于箱体的底部，按图2（a）所示连接电路.箱体内部安装了丝杠导轨滑台、艾草筒、舵机、网兜、电热丝和烟灰水池等.电路全部采用红外遥控，遥控器按键设置如下：左键—42步进电机向左移动50步（每400步电机转动一周，下同）；右键—42步进电机向右移动60步；按键1—舵机带动挡板开合一次；按键2—电热丝通电/断电；按键3—排风扇启动/停止；按键4—42步进电机把网兜从图2（b）中的位置A移动到位置B，然后39步进电机带动网兜转动2周，最后42步进电机把网兜从位置B后重新移动到位置A，完成去灰烬（见图5）和网兜复位.
如图3所示，挡板每开合一次就会有少量的艾草落入网兜中，可以根据需要适当控制挡板的开合次数.因为烟雾过浓会影响对光路的观察，所以当实验中发现烟雾已经足够多，但艾草还在燃烧时，应该马上按下按键4，这样可以及时熄灭艾草、中断烟雾的供给.几下是两点建议和说明：
（1）在艾草筒下方靠近网兜的位置安装围栏，是为了防止艾柱落入网兜之外.制作围栏的材料需要耐高温，所以建议采用“聚四氟乙烯”材质的耐高温布料.
（2）电热丝的两根引线不能用电烙铁焊接，因为焊锡在高温下会熔化，所以建议用螺丝固定引线.
4.2实验箱的制作
关键词：光路；烟雾；艾草
作者简介：徐忠岳（1975-），男，浙江舟山人，本科，中學高级教师，研究方向：高中物理学科教学.
光路的显示一直以来都是中小学光学实验设计的主要难点之一.目前光路显示的主流方法可以归纳为两种：一种是通过柱状或棱形玻璃（或其它透明物质）扩束的方法来显示光路；另一种是利用丁达尔效应来显示光路，比如在空气中喷入烟或水雾，在水中加入牛奶、豆浆或氢氧化铁等形成胶体.第一种方法是一种平面显示光路的方法，虽然操作比较方便，但现象不够直观，且受到光线扩束特点的制约（必须有平整的屏板来展示光路），适用范围也比较窄[1].第二种方法是一种立体呈现光路的方法，但缺点也是很明显的，要求密闭的容器给实验操作带来很大的麻烦，导致使用范围非常局限；另外水雾很不稳定，光路往往断断续续，而且光路不是很明显，需要在比较黑暗的环境中进行[2].
因此，设计一种可以稳定、立体和清晰地呈现光路的实验仪器是非常必要的.利用艾草烟来显示光路是一种健康环保的实验方法，形成的光路具有清晰、稳定持久的特点，可以广泛应用于光路的显示等光学实验.
1实验原理
烟雾控制器利用单片机控制风扇、舵机、电热丝和步进电机的工作状态，通过红外遥控实现对舵机加料（艾叶）、电热丝点燃艾叶、风扇排烟、步进电机运输灰烬和烟雾量等环节的控制.烟雾控制器产生的“艾烟”通过一根不易压折的弹簧软管输送到透明雾箱，利用丁达尔效应在雾箱内演示各种光学实验.
2主要实验材料
丝杠导轨一套（附滑台和42步进电机，行程12cm），39步进电机一只， 12V铅酸电池一只，单片机开发板一块（Arduino UNO），L298N电机驱动模块两个，5V继电器两只，SG90舵机一只，红外遥控器一只，8025HSL型风扇一只（DC12V），12V汽车点烟头一只，AZ-7121型限位开关2个，水斗金属过滤网一块，牙线盒一只.5mm和3mm厚的有机琉璃板若干，焊锡、接线柱和导线等.
3烟雾源的选择
3.1各种烟雾效果（光路的清晰度和稳定性）对比
丁达尔效应与颗粒的直径大小有关.光在胶体中传播时，如果其中的粒子直径远大于入射光波长，发生反射现象；如果粒子直径稍小于或接近入射光波长，会发生明显的丁达尔效应[3].另外演示光路还必须考虑烟雾的稳定性.比如用水雾来显示光路效果不好，因为水雾受重力作用容易下沉，光路断断续续、很不稳定，持续时间也最短；而且水雾颗粒相对较大，所以形成的丁达尔现象并不是很明显.因此选择合适的烟雾源是光路显示的关键.
首先对舞台烟饼、电子烟、艾草、蚊香、佛香、各种叶子、枝条和加湿器等多种器材产生的烟雾进行初步的对比实验.把各种烟雾分别通入一只透明的盒子，用激光照射观察光路.发现加湿器（超声波雾化）产生的水雾效果最差，电子烟、舞台烟饼和艾草的效果都很不错，表现为光路明亮清晰，但稳定性（维持时间）并不相同.
实验发现在前10分钟之内，三种烟雾的效果区别不大，很难区分好坏；15分钟时可以发现电子烟的效果相对较差；30分钟后发现艾草烟的效果略好于烟饼；1小时后电子烟雾中的光路几乎消失，艾草烟中的光路明显好于烟饼.综合健康和实验效果因素，艾草是相对较好的选择.
3.2各种艾草产品焦油含量对比
实验中发现艾草燃烧时会产生焦油，焦油附着在容器壁上会降低实验箱的透明度.
如图1所示，分别称取等质量（5克）干燥的艾粉、艾绒或艾柱（也称艾条）等艾草产品进行试验.先把它们在无风环境中点燃，在艾烟上方罩一只1000mL的烧杯，待艾草燃尽后用纸巾擦拭烧杯底部，发现艾绒燃烧产生的焦油量最多（纸巾最脏），原色艾柱产生的焦油量最少.所以建议用原色艾柱来做实验.
4烟雾控制器和实验箱的制作
4.1烟雾控制器的制作
制作烟雾控制器是为了便于产生和控制烟雾，特别适用于需要多次使用烟雾或者需要大量烟雾的实验.如图2～5所示，控制器的尺寸是21cm×18cm×27cm（长/宽/高），箱体用5mm厚的有机玻璃板制作，底板处有通气孔.控制器利用Arduino单片机来控制电热丝、电机等，控制电路位于箱体的底部，按图2（a）所示连接电路.箱体内部安装了丝杠导轨滑台、艾草筒、舵机、网兜、电热丝和烟灰水池等.电路全部采用红外遥控，遥控器按键设置如下：左键—42步进电机向左移动50步（每400步电机转动一周，下同）；右键—42步进电机向右移动60步；按键1—舵机带动挡板开合一次；按键2—电热丝通电/断电；按键3—排风扇启动/停止；按键4—42步进电机把网兜从图2（b）中的位置A移动到位置B，然后39步进电机带动网兜转动2周，最后42步进电机把网兜从位置B后重新移动到位置A，完成去灰烬（见图5）和网兜复位.
如图3所示，挡板每开合一次就会有少量的艾草落入网兜中，可以根据需要适当控制挡板的开合次数.因为烟雾过浓会影响对光路的观察，所以当实验中发现烟雾已经足够多，但艾草还在燃烧时，应该马上按下按键4，这样可以及时熄灭艾草、中断烟雾的供给.几下是两点建议和说明：
（1）在艾草筒下方靠近网兜的位置安装围栏，是为了防止艾柱落入网兜之外.制作围栏的材料需要耐高温，所以建议采用“聚四氟乙烯”材质的耐高温布料.
（2）电热丝的两根引线不能用电烙铁焊接，因为焊锡在高温下会熔化，所以建议用螺丝固定引线.
4.2实验箱的制作