科學(xué)小實驗光導(dǎo)七彩燈

1、一、題目：科學(xué)小實驗光導(dǎo)七彩燈二、 適用對象：基本對象是1315歲的學(xué)生（1012歲的學(xué)生可以作為體驗活動；1315的學(xué)生可以作為探究活動；1618的學(xué)生可以作為理性研究活動）。一、 適用主體：學(xué)校（普通中學(xué)、中等專業(yè)學(xué)校、各類職業(yè)技術(shù)學(xué)校等）。四、 活動目標(biāo)：1、 通過活動使同學(xué)知道科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合才能產(chǎn)生社會效益，了解技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)該有扎實的文化科學(xué)知識基礎(chǔ)。2、 在集體和個人相結(jié)合的動手動腦活動中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)、信科學(xué)和客觀、求真、探索、合作、競爭等科學(xué)精神。3、 通過活動培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的客觀標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則去評價科學(xué)的現(xiàn)象和事物。4、 通過觀察與實驗活動讓學(xué)生了解物質(zhì)的某些物理特

2、性，認(rèn)識什么是光、光的直線傳播原理、折射率、光密媒質(zhì)和光疏媒質(zhì)、全反射，了解光的反射及其反射定律，折射及其折射定律，知道光導(dǎo)纖維和光纖通訊的初步知識等。5、 培養(yǎng)學(xué)生在活動中能將所學(xué)的知識與實際問題相結(jié)合，提出解決問題的設(shè)想，并與他人合作討論設(shè)計完成實驗；在實驗過程中能積極思考問題，隨時調(diào)控實驗過程，記錄實驗結(jié)果；最終完成實驗并能提出不足和今后改進的方法。五、活動方式：科學(xué)小實驗。六、 所需活動時間：4課時。七、 背景資料：（一）知識背景：在實施這個小實驗的過程中所必須了解的知識包括： 光是頻率或波長在一定范圍內(nèi)的電磁波。根據(jù)所討論問題的范圍，光的頻率和波長范圍不同。狹義的說，光是能引起人視覺

3、的電磁波，即可見光。光具有波粒二象性，在傳播過程中，突出表現(xiàn)其波動性，在和物質(zhì)相互作用過程中，突出表現(xiàn)其粒子性。 光的直線傳播原理是幾何光學(xué)的基本規(guī)律之一。即在均勻媒質(zhì)中，光沿直線傳播。光沿直線傳播原理是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。由于光具有波動性，在傳播過程中遇到障礙物時，要發(fā)生衍射，偏離開直線傳播。但是只有當(dāng)障礙物的線度很小，可以和光波波長相比較時，衍射現(xiàn)象才比較顯著。一般情況下，可以忽略光的衍射現(xiàn)象，近似地按幾何光學(xué)的原理來研究光的傳播問題。利用光的傳播原理可以說明本影和半影的形成，小孔成像等多種光學(xué)現(xiàn)象。光在傳播過程中遇到兩種介質(zhì)的分界面時仍返回原介質(zhì)中的現(xiàn)象叫做光的反射。光的反射遵循反射定律，內(nèi)

4、容包括： 反射光線與入射光線、法線共面 反射光線與入射光線分居在法線兩側(cè) 反射角等于入射角光的反射定律不僅適用于光滑的界面，也適用于粗糙的界面。反射定律可以從實驗的結(jié)果直接獲得，也可以由麥克斯韋電磁理論中推導(dǎo)出來。光在不均勻媒質(zhì)中傳播時，傳播方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象叫做光的折射。當(dāng)媒質(zhì)的折射率發(fā)生突變，即光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)時，傳播方向在界面上發(fā)生突變；當(dāng)媒質(zhì)的折射率連續(xù)改變時，光的傳播方向也連續(xù)變化。光的折射遵守折射定律。在折射過程中，光的頻率不變，波長和波速將發(fā)生變化。光的折射定律內(nèi)容包括： 折射光線與入射光線、法線共面 折射光線與入射光線分居在法線的兩側(cè) 折射角與入射角的關(guān)系可用斯涅耳公

5、式表示為nsini=n sini，其中n 和n分別為折射區(qū)和入射區(qū)間媒質(zhì)的折射率。折射定律的適用范圍與反射定律相同。折射定律可以從實驗的結(jié)果直接獲得，也可以由麥克斯韋電磁理論中推導(dǎo)出來。折射率是由折射定律引入的一個常數(shù)。表征光在兩種媒質(zhì)的界面上發(fā)生偏折的特性。有絕對折射率和相對折射率之分。光從第一種介質(zhì)進入第二種介質(zhì)時，入射角的正弦和折射角的正弦之比等于常數(shù)，叫做第二種介質(zhì)相對于第一種介質(zhì)的相對折射率。媒質(zhì)相對于真空的相對折射率叫做絕對折射率，簡稱媒質(zhì)的折射率，用n表示。媒質(zhì)的折射率也是表征媒質(zhì)的光學(xué)特性的物理量。媒質(zhì)的折射率和媒質(zhì)中的光速有關(guān)系，n=c/v。c為真空中的光速，v為媒質(zhì)中的光速

6、。媒質(zhì)的折射率總大于1。同一種媒質(zhì)對于不同頻率的光具有不同的折射率，可見光的頻率越高（波長越短）折射率越大。一般講的折射率數(shù)值都是對鈉黃光的折射率。兩種媒質(zhì)相比，光在其中傳播速度較大的，絕對折射率較小，叫做光疏媒質(zhì)；光在其中傳播速度較小的，絕對折射率較大，叫做光密媒質(zhì)。光密媒質(zhì)和光疏媒質(zhì)是相對而言的。全反射是光從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)的界面，且入射角大于某個值時，在界面處，光的能量全部反射回原媒質(zhì)的現(xiàn)象。 光導(dǎo)纖維是一種能導(dǎo)光的纖維。在光學(xué)技術(shù)上又叫光波導(dǎo)。目前應(yīng)用的纖維絲的直徑約為幾個微米，甚至在1微米以下，分為反射型光導(dǎo)纖維和折射型光導(dǎo)纖維兩類。反射型光導(dǎo)纖維分為內(nèi)外兩層（芯線和包層），芯

7、線的折射率比包層的折射率大，光從芯線射向包層時能發(fā)生全反射，光從芯線內(nèi)從光導(dǎo)纖維的一端傳輸?shù)搅硪欢硕粡闹鼙谝莩?。折射型光?dǎo)纖維的折射率沿著半徑方向連續(xù)變化，中心最大，周邊最小，具有聚焦的功能，光在這種纖維內(nèi)傳輸時，局限在一定的半徑范圍內(nèi)沿著周期性變化的曲線從一端傳到另一端。光導(dǎo)纖維具有能夠彎曲，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于傳輸光能，其光能損耗很小，可以應(yīng)用于長距離地傳輸光信號。 光纖通訊是利用光波把信息沿著光學(xué)纖維傳輸?shù)耐ㄐ欧椒?，這是本世紀(jì)七十年代以來興起的一門新技術(shù)。傳輸光波信息的光學(xué)纖維就是我們剛剛介紹過的光導(dǎo)纖維。如果光線載有信號，就可由光學(xué)纖維把信息傳輸過去。把多支光學(xué)纖維扎成束可制成

8、導(dǎo)光管，把管兩端的光學(xué)纖維同步排列就可制成導(dǎo)像管，利用導(dǎo)像管可制成醫(yī)用內(nèi)窺鏡和工業(yè)內(nèi)窺鏡。光纖通訊由于損耗小，所以可以大量用于傳輸對話、數(shù)據(jù)和視頻信號；它的應(yīng)用將日益普遍。（二） 方法背景：下面我們一起來看一下光線傳播的對比實驗：1、請用一支手電筒及兩個小平面鏡參照圖（一）作觀察實驗實驗時，請將手電筒孔盡量“聚焦”，使在小孔中觀察到的光點最亮為好。通過類似圖（一）的實驗，我們找到改變光線沿直線達到目標(biāo)的方法。請與周圍的同學(xué)合作，用若干個平面鏡或透鏡達到光線改變方向傳導(dǎo)，可以嗎？2、用一根光導(dǎo)纖維，進行光線傳播的實驗：（1） 請參照圖（二）觀察光導(dǎo)纖維的末端的亮度實驗后，請對比用光導(dǎo)纖維和用平面

9、鏡進行光線傳導(dǎo)兩個末端的亮度。（2） 請將圖（二）中的光導(dǎo)纖維進行數(shù)次彎折直至彎折點透明度減小，再重復(fù)上述實驗，結(jié)果如何？（3） 請將圖（二）中的光導(dǎo)纖維切斷，再利用微細空管（如使用過的圓珠筆芯）進行對接，然后重復(fù)上述實驗，有什么結(jié)論？七、 活動過程：活動一：光導(dǎo)七彩燈的制作請同學(xué)們參照“光導(dǎo)七彩燈”的示意圖，用所給的材料做一個有趣的“光導(dǎo)七彩燈”。（示意圖見附圖）1、 材料與工具材料：光導(dǎo)纖維20根（每根長度約為20）聚光小電珠、燈口各一個電池盒及兩節(jié)五號電池透明涂膠膠片一片導(dǎo)線10印制好的卡片圖一張火柴或小木棍一支膠水或糨糊水彩工具：小刀、剪刀、毛筆、直尺、大頭針、訂書器和訂書釘。2、 制

10、作過程及要點：（1） 請參照“光導(dǎo)七彩燈”示意圖，制作面板先將卡片圖紙的面板部分剪下后；再用小刀沿虛線和點劃線輕輕的劃一 下，劃的時候可以借助于直尺，以便劃線的筆直；然后用粘接劑將面板部分組裝好。（劃線的目的是為了做出的成品更加整齊、美觀。下面的制作過程中如果出現(xiàn)虛線和點劃線也應(yīng)如此處理。注意：遇虛線在圖紙的正面劃線；遇點劃線在圖紙的背面劃線。）（2） 制作燈架先將燈架剪下，按照圖紙所示的位置在燈架上用大頭針打四個孔，然后把小電珠如圖所示固定好，最后將燈架用粘合劑固定于a處。（3） 制作光纖架將光纖架剪下后對折后用粘合劑粘好固定在b處。注意光纖架的前端不要粘上，要留有孔，以便插入光纖束。（4）

11、 制作變色盤將c搓緊固定在c1處，做變色盤架。剪下d1、d2、d3，d1、d2粘在一起并粘牢，將透明涂膠膠片剪成直徑為5的圓；用水彩將剪接成圓形的透明膠片分區(qū)涂上你喜歡的不同顏色；然后按d3、透明涂膠膠片、d1的順序用訂書釘組裝在一起。（5） 在制作好的變色盤的中心鉆一個小孔，插上一根火柴棍或小木棍成為一個可旋轉(zhuǎn)的小軸，放在小電珠頂部與光導(dǎo)纖維束之間，調(diào)整到可自由旋轉(zhuǎn)的位置。（6） 用膠條紙或縫衣線將所有光導(dǎo)纖維并在一起，離尾端約2處用細線或膠條扎成一束，通過光纖架前端的圓柱型孔安放在小電珠頂部。（7） 將可彎折的光導(dǎo)纖維束，按照自己的設(shè)計插接在畫面中花束開放、星星、人物的眼睛等的地方。（8）

12、 用導(dǎo)線將電池盒與燈口的接線盒接牢。（可自制一個開關(guān)，如用字母扣串接在電路中。（9） 將所有的部件全部裝好，仔細檢查無誤后，裝上電池，撥動開關(guān)，燈亮了，旋轉(zhuǎn)彩盤開始旋轉(zhuǎn)，漂亮的七彩燈在你手中誕生了！（10）光導(dǎo)七彩等的電路圖?；顒佣何业脑O(shè)計？通過“光導(dǎo)七彩燈”的科學(xué)小實驗，請與周圍的同學(xué)進一步探索設(shè)計出更新穎、更有趣的光纖小作品。先構(gòu)思自己的設(shè)計方案，畫好草圖；根據(jù)草圖制作你自己的光纖作品；檢驗一下效果如何；進行修改；整理設(shè)計實驗報告。設(shè)計報告中必須對關(guān)鍵設(shè)計部分寫出它的科學(xué)依據(jù)?；顒尤赫l的設(shè)計最棒？全體同學(xué)帶好自己設(shè)計的光導(dǎo)作品在展示臺上進行演示比賽活動，比一比誰的設(shè)計最合理最棒。二、

13、（比賽可以聘請作品的指導(dǎo)教師，校內(nèi)、外科技輔導(dǎo)員，光導(dǎo)方面的專家等作為評審團，其他同學(xué)作為現(xiàn)場觀眾共同評分。）比賽可以用擺擂臺的方式進行。輪到在場地上展示的同學(xué)，先向大家簡單介紹自己的設(shè)計思路，然后演示他的光導(dǎo)作品，評選的成績由評審團和同學(xué)的共同打分記錄在他的反饋學(xué)習(xí)單上，并將最高記錄寫在黑板上，誰的最高記錄保持到最后，他就是擂主。沒有輪到的同學(xué)在自己的座位上觀看其他同學(xué)的展示，并盡可能記錄下其他同學(xué)的精彩構(gòu)想和創(chuàng)新之處。各位同學(xué)根據(jù)自己的展示結(jié)果分析與其他同學(xué)的差距，創(chuàng)新在什么地方？不足在什么地方？為什么會造成這樣的結(jié)果？還可以從哪些方面進行改進？通過這項活動給自己什么啟示？寫下總結(jié)報告?；?/p>

14、動四：拓展性方案“光導(dǎo)七彩燈”活動方式可以有多種變化，為了增加活動的趣味性和給學(xué)生更多的探究空間，我們可以在給學(xué)生提供的材料上多作一些變化。或者要求同學(xué)利用光纖解決某個問題。如：1、利用一個小電機變手動控制旋轉(zhuǎn)為電動控制旋轉(zhuǎn)；2、針對現(xiàn)今獨生子女過生日鋪張浪費的問題，請同學(xué)針對這次實驗的體會自行設(shè)計一個立體生日蛋糕賀卡；3、根據(jù)給出的材料將聲、光、電與美術(shù)等藝術(shù)手法相結(jié)合制作一幅流動的裝飾畫；4、商業(yè)、公益廣告的宣傳；5、將光纖利用在其他學(xué)科領(lǐng)域，如生命科學(xué)中的基因問題、動植物雜交育種等，將感性認(rèn)識變?yōu)閷嶋H應(yīng)用，豐富課堂教學(xué)，讓其更直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前；6、光纖通訊是一項新興技術(shù)，請同學(xué)們參照

15、下面的框圖自己設(shè)計一個利用光纖傳輸信息的小裝置。（給出光敏電阻、光電二極管等元件）7、利用光纖的可隨意彎曲性，探索其在醫(yī)學(xué)、探測、探險等領(lǐng)域的應(yīng)用，并以此作為研究性課題的選題。八、 重要詞匯：光、光的直線傳播原理、光的反射及其反射定律、光的折射定律及其折射定律、光密媒質(zhì)和光疏媒質(zhì)、光的全反射、光導(dǎo)纖維和光纖通訊。九、 設(shè)計思路：設(shè)計該項科學(xué)小實驗是利用有限的材料設(shè)計制作科學(xué)小制作的典型方案之一。通過活動讓學(xué)生感知不同材料的不同結(jié)構(gòu)和不同形態(tài)都表現(xiàn)出不同的物理特性；通過制作“光導(dǎo)七彩燈”以及進一步的改進和創(chuàng)新，學(xué)習(xí)并加深理解有關(guān)光學(xué)等物理知識；使學(xué)生在活動中逐步培養(yǎng)團隊協(xié)作精神和用客觀、公正的眼光去評價現(xiàn)實生活中的現(xiàn)象、事物的能力。十、 活動評價及反饋：1、 學(xué)生在完成實驗后，應(yīng)及時將實驗中所遇到的問題進行整理和歸納。將已經(jīng)解決的問題，寫出解決的方案、方法或?qū)Σ?；尚未解決的問題也應(yīng)有所記錄，可放在后面的小組討論或指導(dǎo)教師解疑中完成。2、 將個人自評、小組互評、指導(dǎo)老師總結(jié)評價相結(jié)合起來，分層次、分梯度擺優(yōu)點、找不足。3、 基于以上幾點的基礎(chǔ)上，提出自己的改進方案和創(chuàng)新突破點，使學(xué)生之間能夠取長補短，互相啟發(fā)。4、 將素質(zhì)教育滲透于科技教育之中，注重學(xué)生的獨立思考和獨立解決問題的