基于弯曲底面的盐水海市蜃楼实验直观演示仪

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  人教版初中物理八年级光的折射一节介绍了海市蜃楼现象,海市蜃楼是大气光学现象.光线经过不同密度的空气层后发生显著折射,使远处景物显示在半空中或地面上的奇异幻景,此现象常发生在海上或沙漠地区.古时传说这种幻景是海里的蜃吐气而成的,故而得名.在平静无风的海面、湖面或沙漠上,有时眼前会突然耸立起亭台楼阁、城郭古堡,或者其他物体的幻影,虚无缥缈,变幻莫测,宛如仙境,这就是海市蜃楼,简称蜃景.
  海市蜃楼的成因:光在不均匀介质中的传播,在折射率连续减小的不均匀介质中光的传播不是沿直线而是沿曲线进行的,当光从介质的折射率较大的部分向折射率较小的部分传播且发生全反射时,光的传播将不以折线的形式而以图1的曲线进行.蜃景是由于地表上方大气分布不均匀,光线沿曲线传播所成的虚像.
  实验改进思路:
  原来情况:海市蜃楼现象,没有专门的实验仪器演示,通常处理是先让学生看视频,再用图1分析海市蜃楼的成因,学生学习兴趣不大,学习效果欠佳.
  能否设计一个实验直观演示,在不均匀介质中光线沿曲线传播,用实验让学生亲身感受一下什么海市蜃楼,对理解海市蜃楼成因,提高学生学习物理的兴趣会有很大帮助.
  改进思路:设想让光在不均匀的盐水中沿曲线传播,代替光在不均匀空气中沿曲线传播.
  最初作者在暗室桌面放一个长方体鱼缸,装入大半缸水,向鱼缸里均匀撒盐,不搅拌静置2个小时,使盐水成为不均匀介质,用激光笔沿内侧缸壁斜向下射出激光,将会看到水面下方的光路是弯曲的,但演示效果不明显.后来反复试验容器底底面做成弧面,效果最好.
  制作材料:透明塑料板若干,502胶水,玻璃胶.
  制作过程:如图2,用透明塑料板拼装成一个圆弧形水槽,用玻璃胶粘接,保证容器不漏水.
  实验演示过程:
  (1)在水槽中装满水.
  (2)在水槽中均匀洒上一层盐(或白沙糖),不可搅拌,静置半个小时以上.
  (3)半小时后,用激光笔从水槽一侧射入激光,在较暗的环境下,可以看到激光在水中沿曲线运动.演示后的效果如图3所示,真实实验效果如图4所示.
  实验注意事项:
  (1)海市蜃楼是地球表面大气的一种光折射现象,底面应做成弧面.
  (2)根据光线在不均匀空气中传播,保留用盐水代替空气,光线应只在盐水中传播.
  (3)光线呈现的距离应尽量远,其弯曲程度才可以用眼睛明显看到.
  (4)用功率大的绿色激光笔比红色激光效果好.
  (5)演示时室内关闭其它光源,周围环境越暗越好.
  创新之处:
  (1)能直观演示光在不均匀介质传播,光的传播方向会发生改变.
  (2)实验现象很明显,让学生亲身感受一下什么海市蜃楼,能大大提高学生学习兴趣.
  (3)操作方便.
  (4)实验成本低.
  (该自制演示仪获 广州市中学生物理学科技能大赛一等奖,广州市科技创新大赛金奖)
  【课题:广东省教育科研“十二五”规划2012年度研究项目《初中演示实验改进、创新及其在教学中的应用研究》(课题批准号:2012YQJK058).该论文是属于课题研究的阶段性成果.】
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