摘要：用艾草煙顯示光路是一種健康環(huán)保的實(shí)驗(yàn)方法，形成的光路具有清晰和穩(wěn)定持久的優(yōu)點(diǎn).自制以艾草為煙霧源的光路演示器，演示器利用丁達(dá)爾效應(yīng)來(lái)顯示光路，利用單片機(jī)控制風(fēng)扇、舵機(jī)、電熱絲和步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，具有靈活高效的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于光路的顯示實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：光路；煙霧；艾草

作者簡(jiǎn)介：徐忠岳（1975-），男，浙江舟山人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：高中物理學(xué)科教學(xué).

光路的顯示一直以來(lái)都是中小學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)之一.目前光路顯示的主流方法可以歸納為兩種：一種是通過(guò)柱狀或棱形玻璃（或其它透明物質(zhì)）擴(kuò)束的方法來(lái)顯示光路；另一種是利用丁達(dá)爾效應(yīng)來(lái)顯示光路，比如在空氣中噴入煙或水霧，在水中加入牛奶、豆?jié){或氫氧化鐵等形成膠體.第一種方法是一種平面顯示光路的方法，雖然操作比較方便，但現(xiàn)象不夠直觀，且受到光線擴(kuò)束特點(diǎn)的制約（必須有平整的屏板來(lái)展示光路），適用范圍也比較窄[1].第二種方法是一種立體呈現(xiàn)光路的方法，但缺點(diǎn)也是很明顯的，要求密閉的容器給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)很大的麻煩，導(dǎo)致使用范圍非常局限；另外水霧很不穩(wěn)定，光路往往斷斷續(xù)續(xù)，而且光路不是很明顯，需要在比較黑暗的環(huán)境中進(jìn)行[2].

因此，設(shè)計(jì)一種可以穩(wěn)定、立體和清晰地呈現(xiàn)光路的實(shí)驗(yàn)儀器是非常必要的.利用艾草煙來(lái)顯示光路是一種健康環(huán)保的實(shí)驗(yàn)方法，形成的光路具有清晰、穩(wěn)定持久的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于光路的顯示等光學(xué)實(shí)驗(yàn).

1實(shí)驗(yàn)原理

煙霧控制器利用單片機(jī)控制風(fēng)扇、舵機(jī)、電熱絲和步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，通過(guò)紅外遙控實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)加料（艾葉）、電熱絲點(diǎn)燃艾葉、風(fēng)扇排煙、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)輸灰燼和煙霧量等環(huán)節(jié)的控制.煙霧控制器產(chǎn)生的“艾煙”通過(guò)一根不易壓折的彈簧軟管輸送到透明霧箱，利用丁達(dá)爾效應(yīng)在霧箱內(nèi)演示各種光學(xué)實(shí)驗(yàn).

2主要實(shí)驗(yàn)材料

絲杠導(dǎo)軌一套（附滑臺(tái)和42步進(jìn)電機(jī)，行程12cm），39步進(jìn)電機(jī)一只， 12V鉛酸電池一只，單片機(jī)開發(fā)板一塊（Arduino UNO），L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊兩個(gè)，5V繼電器兩只，SG90舵機(jī)一只，紅外遙控器一只，8025HSL型風(fēng)扇一只（DC12V），12V汽車點(diǎn)煙頭一只，AZ-7121型限位開關(guān)2個(gè)，水斗金屬過(guò)濾網(wǎng)一塊，牙線盒一只.5mm和3mm厚的有機(jī)琉璃板若干，焊錫、接線柱和導(dǎo)線等.

3煙霧源的選擇

3.1各種煙霧效果（光路的清晰度和穩(wěn)定性）對(duì)比

丁達(dá)爾效應(yīng)與顆粒的直徑大小有關(guān).光在膠體中傳播時(shí)，如果其中的粒子直徑遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)，發(fā)生反射現(xiàn)象；如果粒子直徑稍小于或接近入射光波長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)[3].另外演示光路還必須考慮煙霧的穩(wěn)定性.比如用水霧來(lái)顯示光路效果不好，因?yàn)樗F受重力作用容易下沉，光路斷斷續(xù)續(xù)、很不穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間也最短；而且水霧顆粒相對(duì)較大，所以形成的丁達(dá)爾現(xiàn)象并不是很明顯.因此選擇合適的煙霧源是光路顯示的關(guān)鍵.

首先對(duì)舞臺(tái)煙餅、電子煙、艾草、蚊香、佛香、各種葉子、枝條和加濕器等多種器材產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行初步的對(duì)比實(shí)驗(yàn).把各種煙霧分別通入一只透明的盒子，用激光照射觀察光路.發(fā)現(xiàn)加濕器（超聲波霧化）產(chǎn)生的水霧效果最差，電子煙、舞臺(tái)煙餅和艾草的效果都很不錯(cuò)，表現(xiàn)為光路明亮清晰，但穩(wěn)定性（維持時(shí)間）并不相同.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在前10分鐘之內(nèi)，三種煙霧的效果區(qū)別不大，很難區(qū)分好壞；15分鐘時(shí)可以發(fā)現(xiàn)電子煙的效果相對(duì)較差；30分鐘后發(fā)現(xiàn)艾草煙的效果略好于煙餅；1小時(shí)后電子煙霧中的光路幾乎消失，艾草煙中的光路明顯好于煙餅.綜合健康和實(shí)驗(yàn)效果因素，艾草是相對(duì)較好的選擇.

3.2各種艾草產(chǎn)品焦油含量對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)艾草燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦油，焦油附著在容器壁上會(huì)降低實(shí)驗(yàn)箱的透明度.

如圖1所示，分別稱取等質(zhì)量（5克）干燥的艾粉、艾絨或艾柱（也稱艾條）等艾草產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn).先把它們?cè)跓o(wú)風(fēng)環(huán)境中點(diǎn)燃，在艾煙上方罩一只1000mL的燒杯，待艾草燃盡后用紙巾擦拭燒杯底部，發(fā)現(xiàn)艾絨燃燒產(chǎn)生的焦油量最多（紙巾最臟），原色艾柱產(chǎn)生的焦油量最少.所以建議用原色艾柱來(lái)做實(shí)驗(yàn).

4煙霧控制器和實(shí)驗(yàn)箱的制作

4.1煙霧控制器的制作

制作煙霧控制器是為了便于產(chǎn)生和控制煙霧，特別適用于需要多次使用煙霧或者需要大量煙霧的實(shí)驗(yàn).如圖2～5所示，控制器的尺寸是21cm×18cm×27cm（長(zhǎng)/寬/高），箱體用5mm厚的有機(jī)玻璃板制作，底板處有通氣孔.控制器利用Arduino單片機(jī)來(lái)控制電熱絲、電機(jī)等，控制電路位于箱體的底部，按圖2（a）所示連接電路.箱體內(nèi)部安裝了絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)、艾草筒、舵機(jī)、網(wǎng)兜、電熱絲和煙灰水池等.電路全部采用紅外遙控，遙控器按鍵設(shè)置如下：左鍵—42步進(jìn)電機(jī)向左移動(dòng)50步（每400步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，下同）；右鍵—42步進(jìn)電機(jī)向右移動(dòng)60步；按鍵1—舵機(jī)帶動(dòng)擋板開合一次；按鍵2—電熱絲通電/斷電；按鍵3—排風(fēng)扇啟動(dòng)/停止；按鍵4—42步進(jìn)電機(jī)把網(wǎng)兜從圖2（b）中的位置A移動(dòng)到位置B，然后39步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)網(wǎng)兜轉(zhuǎn)動(dòng)2周，最后42步進(jìn)電機(jī)把網(wǎng)兜從位置B后重新移動(dòng)到位置A，完成去灰燼（見(jiàn)圖5）和網(wǎng)兜復(fù)位.

如圖3所示，擋板每開合一次就會(huì)有少量的艾草落入網(wǎng)兜中，可以根據(jù)需要適當(dāng)控制擋板的開合次數(shù).因?yàn)闊熿F過(guò)濃會(huì)影響對(duì)光路的觀察，所以當(dāng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)煙霧已經(jīng)足夠多，但艾草還在燃燒時(shí)，應(yīng)該馬上按下按鍵4，這樣可以及時(shí)熄滅艾草、中斷煙霧的供給.幾下是兩點(diǎn)建議和說(shuō)明：

（1）在艾草筒下方靠近網(wǎng)兜的位置安裝圍欄，是為了防止艾柱落入網(wǎng)兜之外.制作圍欄的材料需要耐高溫，所以建議采用“聚四氟乙烯”材質(zhì)的耐高溫布料.

（2）電熱絲的兩根引線不能用電烙鐵焊接，因?yàn)楹稿a在高溫下會(huì)熔化，所以建議用螺絲固定引線.

4.2實(shí)驗(yàn)箱的制作

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)箱用3mm厚的有機(jī)玻璃板制成，尺寸為60cm×35cm×30cm（長(zhǎng)/寬/高），其中頂板是不固定的，這樣方便在里面放置光學(xué)儀器.使用袖套是為了便于對(duì)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的儀器進(jìn)行操作或更換器材.無(wú)需操作箱內(nèi)器材時(shí)把袖套擰起來(lái)，煙霧就不會(huì)泄漏了.

5使用方法

準(zhǔn)備工作：在圖3所示的艾草筒里加入適量的碎艾柱，用彈簧軟管連接控制器的排風(fēng)口和實(shí)驗(yàn)箱的進(jìn)氣口，在實(shí)驗(yàn)箱中放入需要演示的光學(xué)儀器.接通控制器電源，按遙控器左、右鍵把網(wǎng)兜移動(dòng)到電熱絲的正上方.

煙霧控制：按幾下（點(diǎn)按，下同）遙控器的按鍵1，直到網(wǎng)兜中落入適量的艾柱.按下按鍵2，電熱絲對(duì)艾柱加熱，當(dāng)發(fā)現(xiàn)艾柱被局部點(diǎn)燃時(shí)，再按下按鍵2停止加熱.按下按鍵3啟動(dòng)排風(fēng)扇，當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱中的煙霧量比較合適，用激光筆照射可以看到清晰的光路時(shí)停止排風(fēng).按下按鍵4，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成去灰燼和復(fù)位操作.

一般上新課的時(shí)候，單一實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程中不需要打開實(shí)驗(yàn)箱的頂板，光路可以保持1小時(shí)以上，無(wú)需中途補(bǔ)充煙霧.如果用于課外自主探究或光學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課，由于需要頻繁更換器材、打開頂板，光路肯定會(huì)逐漸變?nèi)?當(dāng)發(fā)現(xiàn)光路將要不清晰時(shí)，應(yīng)該提前1分鐘進(jìn)行上一步的煙霧控制操作.

注意：由于艾草煙的顆粒直徑非常小，艾草煙進(jìn)入實(shí)驗(yàn)箱后不會(huì)出現(xiàn)明顯的“霧朦朦”的現(xiàn)象，尤其是艾草煙在實(shí)驗(yàn)箱里靜置2分鐘以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)箱看上去是完全通透的，所以需要用激光照射來(lái)判斷艾草煙是否適量.

6實(shí)驗(yàn)效果

本儀器可以廣泛應(yīng)用于所有學(xué)段的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué).如圖7所示，與其它方法相比，艾草煙在顯示光路時(shí)具有安全、清晰和穩(wěn)定性兼?zhèn)涞膬?yōu)點(diǎn)，在光的反射、折射、色散、偏振、干涉和衍射等各種幾何光學(xué)和物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中光路的顯示都取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果.

7結(jié)束語(yǔ)

用艾草煙來(lái)顯示光路是一個(gè)有特色的創(chuàng)新，它確保了實(shí)驗(yàn)的安全性，形成的光路具有清晰和穩(wěn)定持久的優(yōu)點(diǎn)；自制煙霧控制器可以遙控風(fēng)扇、舵機(jī)、電熱絲和步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)；帶有袖套的光學(xué)實(shí)驗(yàn)箱使實(shí)驗(yàn)操作方便靈活，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的整潔性，極具推廣價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐忠岳.激光光學(xué)演示儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2015，31（12）：41-45.

[2] 陳健波.呈現(xiàn)空間光路的光學(xué)演示儀 [P].ZL201020129710.1，中國(guó)專利： 2011.04.27.

[3] 朱玉忠，李忠元等.自制丁達(dá)爾效應(yīng)模擬器[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（1）：91.