科学小实验光导七彩灯

一、题目：科学小实验——光导七彩灯二、适用对象：基本对象是13——15岁的学生（10——12岁的学生可以作为体验活动；13——15的学生可以作为探究活动；16——18的学生可以作为理性研究活动）。

一、适用主体：学校（普通中学、中等专业学校、各类职业技术学校等）。

四、活动目标：1、通过活动使同学知道科学与技术的结合才能产生社会效益，了解技术创新应该有扎实的文化科学知识基础。

2、在集体和个人相结合的动手动脑活动中培养学生学科学、爱科学、用科学、信科学和客观、求真、探索、合作、竞争等科学精神。

3、通过活动培养学生用科学的客观标准和准则去评价科学的现象和事物。

4、通过观察与实验活动让学生了解物质的某些物理特性，认识什么是光、光的直线传播原理、折射率、光密媒质和光疏媒质、全反射，了解光的反射及其反射定律，折射及其折射定律，知道光导纤维和光纤通讯的初步知识等。

5、培养学生在活动中能将所学的知识与实际问题相结合，提出解决问题的设想，并与他人合作讨论设计完成实验；在实验过程中能积极思考问题，随时调控实验过程，记录实验结果；最终完成实验并能提出不足和今后改进的方法。

五、活动方式：科学小实验。

六、所需活动时间：4课时。

七、背景资料：（一）知识背景：在实施这个小实验的过程中所必须了解的知识包括：光是频率或波长在一定范围内的电磁波。

根据所讨论问题的范围，光的频率和波长范围不同。

狭义的说，光是能引起人视觉的电磁波，即可见光。

光具有波粒二象性，在传播过程中，突出表现其波动性，在和物质相互作用过程中，突出表现其粒子性。

光的直线传播原理是几何光学的基本规律之一。

即在均匀媒质中，光沿直线传播。

光沿直线传播原理是几何光学的基础。

由于光具有波动性，在传播过程中遇到障碍物时，要发生衍射，偏离开直线传播。

但是只有当障碍物的线度很小，可以和光波波长相比较时，衍射现象才比较显著。

一般情况下，可以忽略光的衍射现象，近似地按几何光学的原理来研究光的传播问题。

利用光的传播原理可以说明本影和半影的形成，小孔成像等多种光学现象。

光在传播过程中遇到两种介质的分界面时仍返回原介质中的现象叫做光的反射。

光的反射遵循反射定律，内容包括：反射光线与入射光线、法线共面反射光线与入射光线分居在法线两侧反射角等于入射角光的反射定律不仅适用于光滑的界面，也适用于粗糙的界面。

反射定律可以从实验的结果直接获得，也可以由麦克斯韦电磁理论中推导出来。

光在不均匀媒质中传播时，传播方向发生偏折的现象叫做光的折射。

当媒质的折射率发生突变，即光从一种媒质进入另一种媒质时，传播方向在界面上发生突变；当媒质的折射率连续改变时，光的传播方向也连续变化。

光的折射遵守折射定律。

在折射过程中，光的频率不变，波长和波速将发生变化。

光的折射定律内容包括：折射光线与入射光线、法线共面折射光线与入射光线分居在法线的两侧折射角与入射角的关系可用斯涅耳公式表示为n’sini’=n sini，其中n’ 和n分别为折射区和入射区间媒质的折射率。

折射定律的适用范围与反射定律相同。

折射定律可以从实验的结果直接获得，也可以由麦克斯韦电磁理论中推导出来。

折射率是由折射定律引入的一个常数。

表征光在两种媒质的界面上发生偏折的特性。

有绝对折射率和相对折射率之分。

光从第一种介质进入第二种介质时，入射角的正弦和折射角的正弦之比等于常数，叫做第二种介质相对于第一种介质的相对折射率。

媒质相对于真空的相对折射率叫做绝对折射率，简称媒质的折射率，用n表示。

媒质的折射率也是表征媒质的光学特性的物理量。

媒质的折射率和媒质中的光速有关系，n=c/v。

C为真空中的光速，v为媒质中的光速。

媒质的折射率总大于1。

同一种媒质对于不同频率的光具有不同的折射率，可见光的频率越高（波长越短）折射率越大。

一般讲的折射率数值都是对钠黄光的折射率。

两种媒质相比，光在其中传播速度较大的，绝对折射率较小，叫做光疏媒质；光在其中传播速度较小的，绝对折射率较大，叫做光密媒质。

光密媒质和光疏媒质是相对而言的。

全反射是光从光密媒质入射到光疏媒质的界面，且入射角大于某个值时，在界面处，光的能量全部反射回原媒质的现象。

光导纤维是一种能导光的纤维。

在光学技术上又叫光波导。

目前应用的纤维丝的直径约为几个微米，甚至在1微米以下，分为反射型光导纤维和折射型光导纤维两类。

反射型光导纤维分为内外两层（芯线和包层），芯线的折射率比包层的折射率大，光从芯线射向包层时能发生全反射，光从芯线内从光导纤维的一端传输到另一端而不从周壁逸出。

折射型光导纤维的折射率沿着半径方向连续变化，中心最大，周边最小，具有聚焦的功能，光在这种纤维内传输时，局限在一定的半径范围内沿着周期性变化的曲线从一端传到另一端。

光导纤维具有能够弯曲，结构简单等优点，广泛应用于传输光能，其光能损耗很小，可以应用于长距离地传输光信号。

光纤通讯是利用光波把信息沿着光学纤维传输的通信方法，这是本世纪七十年代以来兴起的一门新技术。

传输光波信息的光学纤维就是我们刚刚介绍过的光导纤维。

如果光线载有信号，就可由光学纤维把信息传输过去。

把多支光学纤维扎成束可制成导光管，把管两端的光学纤维同步排列就可制成导像管，利用导像管可制成医用内窥镜和工业内窥镜。

光纤通讯由于损耗小，所以可以大量用于传输对话、数据和视频信号；它的应用将日益普遍。

（二）方法背景：下面我们一起来看一下光线传播的对比实验：1、请用一支手电筒及两个小平面镜参照图（一）作观察实验实验时，请将手电筒孔尽量“聚焦”，使在小孔中观察到的光点最亮为好。

通过类似图（一）的实验，我们找到改变光线沿直线达到目标的方法。

请与周围的同学合作，用若干个平面镜或透镜达到光线改变方向传导，可以吗？2、用一根光导纤维，进行光线传播的实验：（1）请参照图（二）观察光导纤维的末端的亮度实验后，请对比用光导纤维和用平面镜进行光线传导两个末端的亮度。

（2）请将图（二）中的光导纤维进行数次弯折直至弯折点透明度减小，再重复上述实验，结果如何？（3）请将图（二）中的光导纤维切断，再利用微细空管（如使用过的圆珠笔芯）进行对接，然后重复上述实验，有什么结论？七、活动过程：活动一：光导七彩灯的制作请同学们参照“光导七彩灯”的示意图，用所给的材料做一个有趣的“光导七彩灯”。

（示意图见附图）1、材料与工具材料：光导纤维20根（每根长度约为20㎝）聚光小电珠、灯口各一个电池盒及两节五号电池透明涂胶胶片一片导线10㎝印制好的卡片图一张火柴或小木棍一支胶水或糨糊水彩工具：小刀、剪刀、毛笔、直尺、大头针、订书器和订书钉。

2、制作过程及要点：（1）请参照“光导七彩灯”示意图，制作面板先将卡片图纸的面板部分剪下后；再用小刀沿虚线和点划线轻轻的划一下，划的时候可以借助于直尺，以便划线的笔直；然后用粘接剂将面板部分组装好。

（划线的目的是为了做出的成品更加整齐、美观。

下面的制作过程中如果出现虚线和点划线也应如此处理。

注意：遇虚线在图纸的正面划线；遇点划线在图纸的背面划线。

）（2）制作灯架先将灯架剪下，按照图纸所示的位置在灯架上用大头针打四个孔，然后把小电珠如图所示固定好，最后将灯架用粘合剂固定于A处。

（3）制作光纤架将光纤架剪下后对折后用粘合剂粘好固定在B处。

注意光纤架的前端不要粘上，要留有孔，以便插入光纤束。

（4）制作变色盘将C搓紧固定在C1处，做变色盘架。

剪下D1、D2、D3，D1、D2粘在一起并粘牢，将透明涂胶胶片剪成直径为5㎝的圆；用水彩将剪接成圆形的透明胶片分区涂上你喜欢的不同颜色；然后按D3、透明涂胶胶片、D1的顺序用订书钉组装在一起。

（5）在制作好的变色盘的中心钻一个小孔，插上一根火柴棍或小木棍成为一个可旋转的小轴，放在小电珠顶部与光导纤维束之间，调整到可自由旋转的位置。

（6）用胶条纸或缝衣线将所有光导纤维并在一起，离尾端约2㎝处用细线或胶条扎成一束，通过光纤架前端的圆柱型孔安放在小电珠顶部。

（7）将可弯折的光导纤维束，按照自己的设计插接在画面中花束开放、星星、人物的眼睛等的地方。

（8）用导线将电池盒与灯口的接线盒接牢。

（可自制一个开关，如用字母扣串接在电路中。

（9）将所有的部件全部装好，仔细检查无误后，装上电池，拨动开关，灯亮了，旋转彩盘开始旋转，漂亮的七彩灯在你手中诞生了！（10）光导七彩等的电路图。

活动二：我的设计？通过“光导七彩灯”的科学小实验，请与周围的同学进一步探索设计出更新颖、更有趣的光纤小作品。

先构思自己的设计方案，画好草图；根据草图制作你自己的光纤作品；检验一下效果如何；进行修改；整理设计实验报告。

设计报告中必须对关键设计部分写出它的科学依据。

活动三：谁的设计最棒？全体同学带好自己设计的光导作品在展示台上进行演示比赛活动，比一比谁的设计最合理最棒。

二、（比赛可以聘请作品的指导教师，校内、外科技辅导员，光导方面的专家等作为评审团，其他同学作为现场观众共同评分。

）比赛可以用摆擂台的方式进行。

轮到在场地上展示的同学，先向大家简单介绍自己的设计思路，然后演示他的光导作品，评选的成绩由评审团和同学的共同打分记录在他的反馈学习单上，并将最高记录写在黑板上，谁的最高记录保持到最后，他就是擂主。

没有轮到的同学在自己的座位上观看其他同学的展示，并尽可能记录下其他同学的精彩构想和创新之处。

各位同学根据自己的展示结果分析与其他同学的差距，创新在什么地方？不足在什么地方？为什么会造成这样的结果？还可以从哪些方面进行改进？通过这项活动给自己什么启示？写下总结报告。

活动四：拓展性方案“光导七彩灯”活动方式可以有多种变化，为了增加活动的趣味性和给学生更多的探究空间，我们可以在给学生提供的材料上多作一些变化。

或者要求同学利用光纤解决某个问题。

如：1、利用一个小电机变手动控制旋转为电动控制旋转；2、针对现今独生子女过生日铺张浪费的问题，请同学针对这次实验的体会自行设计一个立体生日蛋糕贺卡；3、根据给出的材料将声、光、电与美术等艺术手法相结合制作一幅流动的装饰画；4、商业、公益广告的宣传；5、将光纤利用在其他学科领域，如生命科学中的基因问题、动植物杂交育种等，将感性认识变为实际应用，丰富课堂教学，让其更直观的展现在学生面前；6、光纤通讯是一项新兴技术，请同学们参照下面的框图自己设计一个利用光纤传输信息的小装置。

（给出光敏电阻、光电二极管等元件）7、利用光纤的可随意弯曲性，探索其在医学、探测、探险等领域的应用，并以此作为研究性课题的选题。

八、重要词汇：光、光的直线传播原理、光的反射及其反射定律、光的折射定律及其折射定律、光密媒质和光疏媒质、光的全反射、光导纤维和光纤通讯。

九、设计思路：设计该项科学小实验是利用有限的材料设计制作科学小制作的典型方案之一。

通过活动让学生感知不同材料的不同结构和不同形态都表现出不同的物理特性；通过制作“光导七彩灯”以及进一步的改进和创新，学习并加深理解有关光学等物理知识；使学生在活动中逐步培养团队协作精神和用客观、公正的眼光去评价现实生活中的现象、事物的能力。