神奇的光现象演示实验 指导书

1、兴趣·科学素养神奇的光现象演示实验指导书主编：杨名宇南昌航空大学大学物理实验中心2013年9月 实验一 无弦竖琴演示目的：演示激光和光电效应。物理原理：这里的“琴弦”是激光束，对应着光敏电阻.手指“轻弹”光束,遮断光路,改变了光敏电阻的电阻值。产生跳变的电压信号,这个电压信号就触发相应的电路开始工作。从而产生一个具有固定频率的电信号,电信号经电子合成器处理放大后,由扬声器发出声音。学生亲自动手：学生轻轻的用手遮住光束,琴内就会发出悦耳的声音。遮住不同的光束，琴会有不同的音符发出.从而按照乐曲韵律，可以弹奏出美妙的音乐。 注意事项：1、若出现激光管不亮或琴没有声音时，请将电源断掉，然后

2、重新打开电源。2、仪器若超过36秒无触发信号则自动进入待机状态,此时将电源开关重新开启一次即可让仪器重新工作。3、若某个光路无声音发出，请将对应的激光器上聚焦镜头微调，使之与下面光敏电阻对应即可。实验二 无限储钱盒 一、演示目的演示凹面镜成像现象。二、演示现象：投下的硬币经过一个比自己小一半的细孔，落在储钱盒里，并能把钱变小。三、演示原理：利用凹透镜成像原理，使得硬币看起来比实际小。实验三 万花筒 一、演示目的 加深对光的反射成像原理的理解。二、实验原理及操作：万花筒利用平面镜的成像原理制作，通过光的反射而产生影像。  万花筒原理图1816年，苏格兰物理学家大卫·

3、布鲁斯特爵士发明了万花筒。布鲁斯特主要从事光学和光谱研究，他在童年时代就十分喜欢光学实验，一生中的大部分时间都用在了他所喜爱的光学上。一次，他在用多面镜子研究光的性质时，看到了几面相对放置的镜子里经过多次反射呈现出来的景象，便放了一些花纸在镜子组成的空腔里，结果，他看到了一些对称的图案，而且每变动一下花纸的位置，图案就会变换一次。为了能使图案不断地变换，他将三面成角度的镜子放在一个圆筒里，再将花纸放在筒端的两层玻璃间。随着三角镜中镜子的角度变化，影像的数目也随之变化；影像重叠后形成各种图案，不停地转动万花筒就可以看到不断变换的图案。就这样他制作出了只要轻轻转动就能看到不同图案的万花筒。万花筒在

4、一夜之间便获得了意外的成功。更有意思的是，一旦某个图案消失了，要转动几个世纪才能出现同样的组合，因此每一瞬都值得欣赏，每一秒都值得珍惜！万花筒的发明被列入科学重大发明而载入史册，博物馆里也收藏有一些制作精美的万花筒。由于万花筒  万花筒图案既是美轮美奂的艺术作品，又是能培养思维和观察能力的益智玩具，所以深受小孩子和成年人的喜爱，并在人们的手中不断地翻新花样。例如，有人在万花筒里放上3040个像教堂塔尖一样的玻璃小瓶，里面装上油，在油里浸着玻璃粒、细珊瑚片、贝壳和沙粒。这些密封的小玻璃瓶一动，瓶里那些闪闪发光的微粒就会升降。除了这些东西以外，还可以放入扎紧的细丝线、马鬃以及各

5、种螺旋形的、弯曲的小东西。这样，使万花筒转动起来，就好像在欣赏一场精彩的芭蕾舞表演。实验四 西汉透光镜演示 一、演示目的： 演示铜镜的“透”光。二、实验现象：再现西汉时期的瑰宝西汉透光镜。古人在日常生活中使用铜镜时发现铜镜还有“透光”的功能，即是指当镜面对着阳光向物体上反光时，可将镜背的纹饰图案映射到白色的物体上，古人称之为“透光镜”。实验五 光纤传像 一、演示目的 演示光纤的传像现象。二、实验原理及操作：利用光的全反射原理可以制作光导纤维，光纤由两种不同折射率的透明物质构成，例如塑料光纤，它是一根折射率较高的塑料丝，在它的外表面包有一层折射率较低的塑料膜层。由于光纤里面折射率高，外面折射率低

6、，因此进入光纤的光将发生全反射。光由光纤一端输入，然后经多次全反射由别一端输出。由于全反射，损耗很小。实验六 光纤花 一、演示目的 进一步了解光纤传光束的原理与应用。二、实验原理及操作：光由光纤一端输入，然后经多次全反射由别一端输出。由于全反射，损耗很小。实验七 光学窥视无穷 一、演示目的了解窥视无穷的原理，提高学习物理学的兴趣。二、演示原理：窥视无穷镜是由一面镀有高反射率膜的两片平板玻璃构成，高反射率膜面朝内安放，相互平行的两片平板玻璃中间放置物体。物体发出或反射的光经镀有高反射率膜层面的来回反射，在窥视无穷镜的左右两边形成一系列的虚像。三、操作说明：打开电源开关，呈现窥视无穷像，观察镜中的

7、多次反射成像现象。四、注意事项：不要拿起来观看，以免损坏；不要弄脏镜面，以免影响成像质量。实验八 幻影合成 一、演示目的再次体验凹面镜成像原理。二、演示原理：隐藏在窥视孔内的屏幕播放着三维影像，此影像（光线）通过屏幕由凹面镜反射回来，镜子的曲度使反射光线汇聚，故影像每一点发出的光都被汇聚在凹面镜前空间相应的点，当影像每一点被这样汇聚时，就在凹面镜前相应位置形成影像，我们把这个影像再通过一个分光镜反射到窗口外部，在空间就会呈现出逼真的立体像。三、演示效果：当你误把经凹面镜反射的映像当作屏幕上正在播放的实像而用手去抓时，当然是什么也抓不到。当把影像放到凹面镜二倍焦距处，在空中呈现出等大逼真的立体像

8、，所成影像不仅具备较高的清晰度、立体感和真实感，使其看得见、摸不着。实验九 小魔术 穿墙而过演示目的：利用视觉上不可能的现象，演示光的偏振性。实验原理：一个偏振器只允许一个特定平面内振动的光通过，这个特定平面称为偏振面。这个偏振方向称为偏振器的透光轴。自然光在垂直于传播方向的所有方向上都有光振动。自然光射向一个偏振器，由于偏振器只允许一个特定平面内振动的光通过，所以，透射光只在这个特定平面内振动。若该透射光射向一个与前一个偏振器透光轴垂直的偏振器，则没有光透过第二个偏振器。这样便在两个偏振器交界面形成一个“光”墙。操作方法：将转简一头压下，观察小球穿越“光”墙。注意事项： 由于偏振片易碎，所以

9、操作应小心，转动转简时，手要拿稳。实验十 是你还是我演示目的： 了解光的穿透与反射。科学原理： 玻璃上镀有一层极薄的金属膜，制成半透半反平面镜。当自己一侧的光线强于对方一侧时，此侧被镜子反射回来的光线强于从镜子里透射过来的对方一侧的光线，此时自己就象在照镜子，只能从镜中看到自己的像；当对方光线亮度大于自己一侧时，从镜子中透射过来的对方的光线大于自己一侧被镜子反射回来的光线，此时又象隔着窗户玻璃看到窗外（对方）的人像；当自己一侧被镜子反射回来的光线与从镜子中透射过来对方一侧的光线强度差别不大时，此镜中就出现反射的自己的像和透射的对方的像叠加在一起的，你中有我、我中有你的像。学生实际参与： 选一位

10、朋友与你相对地坐在镜子两边，上下移动头部，将自己的脸和朋友的脸重叠在一起。仔细看看新的面孔和原来的你有多少不同？这里的奥妙在于你们两人的五官、脸可能错位，即你的面孔上可能是朋友的鼻子。注意事项： 镜子两边分处两人对视就可观察。不要碰撞镜面。实验十一 三基色一、演示目的 了解三基色的原理与应用。二、实验原理及操作：三基色是指红，绿，蓝三色，人眼对红、绿、蓝最为敏感，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色，除了相加混色法之外还有相减混色法。可根据

11、需要相加相减调配颜色。主要内容：自然界中的绝大部分彩色，都可以由三种基色按一定比例混合得到；反之，任意一种彩色均可被分解为三种基色。作为基色的三种彩色，要相互独立，即其中任何一种基色都不能由另外两种基色混合来产生。由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于参与混合的各基色的亮度之和。三基色的比例决定了混合色的色调和色饱和度。  在初中的物理课中我们可能做过棱镜的试验，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝最为敏感，人的眼睛就像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产

12、生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。红色+绿色=黄色绿色+蓝色=青色红色+蓝色=品红红色+绿色+蓝色=白色黄色、青色、品红都是由两种及色相混合而成，所以它们又称相加二次色。另外：红色+青色=白色绿色+品红=白色蓝色+黄色=白色所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受有不同，所以，如果我们用相同强度的三基色混合时，假设得到白光的强度为10

13、0%，这时候人的主观感受是，绿光最亮，红光次之，蓝光最弱。除了相加混色法之外还有相减混色法。在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是：白色-红色=青色白色-绿色=品红白色-蓝色=黄色另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下：颜料（黄色+青色）=白色-红色-蓝色=绿色颜料（品红+青色）=白色-红色-绿色=蓝色颜料（黄色+品红）=白色-绿色-蓝色=红色以上的都是相减混色，相减混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。所以有把青色、品红、黄色称为颜料三基

14、色。颜料三基色的混色在绘画、印刷中得到广泛应用。在颜料三基色中，红绿蓝三色被称为相减二次色或颜料二次色。在相减二次色中有：（青色+黄色+品红）=白色-红色-蓝色-绿色=黑色用以上的相加混色三基色所表示的颜色模式称为RGB模式，而用相减混色三基色原理所表示的颜色模式称为CMYK模式，它们广泛运用于绘画和印刷领域。RGB模式是绘图软件最常用的一种颜色模式，在这种模式下，处理图像比较方便，而且，RGB存储的图像要比CMYK图像要小，可以节省内存和空间。CMYK模式是一种颜料模式，所以它属于印刷模式，但本质上与RGB模式没有区别，只是产生颜色的方式不同。RGB为相加混色模式，CMYK为相减混色模式。例

15、如，显示器采用RGB模式，就是因为显示器是电子光束轰击荧光屏上的荧光材料发出亮光从而产生颜色。当没有光的时候为黑色，光线加到最大时为白色。而打印机呢？它的油墨不会自己发出光线。因而只有采用吸收特定光波而反射其它光的颜色，所以需要用减色法来解决。实验十二 不一样的镜子 图析平面镜成像演示目的：加深理解平面镜成像原理。实验原理：根据平面镜成像原理，一个物体放在一块平面镜中只能成一个像，当两平面镜构成夹角900时，能成几个像呢？把点光源放在夹角为°的两块平面镜之间，如图所示，能成几个像？    作图法，利用平面镜成像原理和像的对称性两种方法并作，可达到直观、简

16、易性。依题意作图，点光源放在垂直放置的两平面镜前，据光的反射定律或平面镜成像规律，由于点光源在两平面镜、中成像，见图中、两点。此外，由于一些光线分别射到、镜面，反射后又分别射到、两个镜面上，被、两个镜面二次反射的光线是发散的（见线、线），但它们反向延长相交到一点，如图所示，这个点也是点光源的像，可见互成°的两平面镜可成三个像，其中角顶的一个像是两块平面镜所成的重合像。也可据平面镜成像规律，像与物对镜面相互对称，把像与物连接起：作图中虚线所示；是在的像，是在中的像，是分别在、所成的重合像。从图中很明显看出物与像组成了一个正方形，物在角的平分线上。 实验十三 菲涅尔透镜一、演示目的： 了

17、解菲涅尔透镜的原理与应用。二、实验原理及操作：菲涅尔透镜 (Fresnel lens) ，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆等距齿纹。透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。菲涅尔透镜的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。透镜的要求很高。一片优质的透镜必须表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而

18、变，多在1mm左右，特性为面积大、厚度薄及侦测距离远。 菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。正菲涅尔透镜的光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。 这类透镜通常设计为准直镜（如投影用菲涅尔透镜，放大镜）以及聚光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜。三、注意事项：菲涅尔透镜不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉擦拭。实验十四 光弹性演示实验 用光学原理研究弹性力学问题的实验方

19、法称为光弹性法。它是用具有双折射效应的透明材料，严格遵守“相似律”原则制成构件模型，将模型置于白光光源的圆偏振光场中。当给模型加上载荷时，即可看到模型上所出现的干涉条纹，依照应力光学定律，那些颜色相同的条纹表示光程差相等的迹线，也就是主应力等值线，故称为等色线或等差线。由产生的等色线或等差线干涉条纹图形，通过计算就能确定构件模型在载荷作用下的应力状态，可以得到直观的、可靠的、全场的应力分布状态。利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力问题。对生物力学、断裂力学、复合材料力学等还可用光弹性法验证其提出的新理论、新假设的合理性和有效性，为发展新理论