研究目的

小学《科学》中“光的传播”单元探究知识点众多，课本配套的实验器材存在一些不足。比如，光学影像实验器材多而散，需要的存储空间大，安装操作费时费力；实验时，需要拉上遮光窗帘，在比较黑暗的环境中，才能看到实验光线传播路径及成像等。本项目研究制作一套小学《科学》光学影像实验用器材，尝试弥补原有器材的不足。

研究过程

设计解决项目

本项目设计了1个底面直径6 cm、高20 cm，带有瓶底和瓶盖的亚克力圆筒瓶，叫作丁达尔效应瓶。点燃熏香充入烟雾10秒后盖上瓶盖，可在3小时内保持烟雾不散，即使取下瓶盖多次更换瓶口组件，也不用二次充烟。瓶内放入平面镜，在强光下可利用丁达尔效应清晰地观察到光线的传播路径。以住需要调整照射角度才能观察到的一些实验现象，可通过翻转瓶身轻松实现，操作便捷、成本低，坚固耐用、效率高（如图1）。

图1 丁达尔效应瓶

为了解决“小孔成像”和“凸透镜成像”成像不清晰、像的左右是否相反不易分辨等问题，本项目设计了放映箱和背投成像屏。放映箱为长40 cm、宽12 cm、高20 cm的长方体，两端敞开，一端放置“F”型光源，另一端放置成像屏。箱体中间开槽用于插入光板，插入带有小孔的光板可做小孔成像实验，插入中间安装有凸透镜的光板可做凸透镜成像实验。放映箱的内部被涂成黑色，用于吸收光线，防止箱体内部光线反射影响成像清晰度。箱体内部底面贴有刻度尺，中间为0刻度，向两端依次为1，2，3……20 cm，用于做平面镜成像实验时读取距离数据（如图2）。

图2 多功能放映箱正视图、侧视图、俯视图

利用抗光灰全息投影膜制作背投成像屏，与利用光具座实验时观察像的角度不同，这个成像屏是从背面观察，可以从放映箱屏幕一端观察光源的形状，也可从同一位置看到像的形状，便于对比分辨物和像的异同（如图3）。

图3 背投成像屏

为了解决无法查看模型内部结构的问题，本项目设计了万花筒、望远镜等8个实物模型，均能拆卸看到内部材料和结构特点，便于学生理解（如图4）。

图4 望远镜、万花筒、潜望镜模型

实验装置功能拓展

利用丁达尔效应瓶和放映箱还能开展哪些实验呢？经过研究发现，可以将二者的功能进行拓展，实现一物多用，本项目将与之相关的同类实验设计出来，并将所需的实验组件制作出来，配套使用。对丁达尔效应瓶进行集成化改造，用浅黄色亚克力塑料块作为光的折射介质，用激光笔从侧面照射可以演示光的折射，在制作过程中偶然发现因为照射角度的不同，从顶端照射不能形成折射现象，却可以形成全反射现象。加上镜面反射、漫反射等材料，就可以在该瓶中看到清晰的实验现象。放映箱则可通过增加光板，用不同大小和形状的孔探究孔的大小、形状对成像的影响，探究成像屏与光源距离远近对成像的影响；还可通过改变光源和光板上的图案，演示手影和皮影戏的工作原理等（如图5）。如此一来，放映箱就变成了多功能放映箱。

图5 不同的光板

制作过程

●  制作80 cm×50 cm×20 cm的长方体大箱体，用于存放所有组件，并在箱盖内面粘贴4开的白纸作为屏幕。

●  制作40 cm×20 cm×12 cm的长方体放映箱，20 cm×12 cm的面没有木板，用于安装成像屏和光源，40 cm×12 cm的上盖面中间位置开槽，用于插装光板、凸透镜、半透镜等。

●  制作8块23.5 cm×13 cm×

0.5 cm的黑色亚克力光板，中间分别有直径0.5 cm、0.8 cm、1 cm、3 cm的圆孔和直径0.5 cm的三角形小孔和五角星形小孔，以及直径1 cm的五角星形大孔，还有一块中间是边长2 cm的等边三角形孔及1个向上的高2 cm的黑色箭头。

●  制作1块23.5 cm×13 cm×

0.5 cm的木板，中间挖出直径5 cm的圆孔，用胶枪固定安装直径5 cm的凸透镜，制成凸透镜光板。

该项目获得第38届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖