天宫课堂之水球光学实验浅析.pdf
《天宫课堂之水球光学实验浅析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《天宫课堂之水球光学实验浅析.pdf(4页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Vol.41 No.8物理教学探讨2023年第8 期物理实验天宫课堂之水球光学实验浅析汤玲安徽合肥金湖中学,合肥2 30 0 8 8摘要:分析了单球面折射系统的折射原理,根据该原理计算了光线在水球里的两种不同传播路径下的折射规律。在不同物距条件下,对第一种路径的折射规律进行了详细计算,并分别得出结论;利用依次成像法分析了第二种路径的成像规律。利用分析结果解释了天宫课堂水球光学实验的“一球双像”的实验现象。关键词:折射光;成像;单球面;水球T:C中图分类号:G633.7随着我国航天事业的迅猛发展,我们不仅在深空探索方面取得了巨大成就,而且也给科学研究创造了一个全新的太空试验平台。2 0 2 1
2、年1 0月,我国在酒泉卫星发射中心利用神州十三号飞船成功将三名航天员送入到我国空间站。在为期六个月的航天工作中,航天员王亚平开展了两次天宫课堂的直播授课任务。她在空间站失重的环境中做了很多有趣的物理实验。其中,水球光学实验中,王亚平利用液体的表面张力制作了一个水球,然后在水球内部注人了一个气泡,透过这样的水球,我们看到了一正一倒两个王亚平人像,如图1 所示。这个奇妙的物理现象顿时引起了学生们浓厚的兴趣。那么它究竟是如何产生的呢 2?实际上,它是光线折射的结果。可以把水球当作透镜,但是由于水球近似圆形,它的厚度显然不能忽略,所以不能简单地将其视为薄透镜成像来处理。要系统地分析这种现象,就必须从单
3、球面光学系统的折射原理出发。图1 水球成像收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 9基金项目:安徽省教学研究重点项目“大学物理SPOC翻转课堂教学模式的理论探索与实践(2 0 1 7 jyxm0523)。作者简介:汤玲(1 9 8 1-),女,中学一级教师,主要从事中学物理教学与研究工作。文献标识码:A文章编号:1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)8-0 0 4 9-41单球面折射原理如图2 所示,单球面半径为r,C 为圆心。直线PC为轴线。左右两侧介质折射率分别为ni和n2。轴线上有一物点0 发出两条光线OA,OP,经单球面折射后汇聚于点Q。根据折射定律有 3nisini=nsin
4、i2(1)nn2120P1图2 单球面折射原理图设OA为近轴光线,故,,i,i都很小,所以(1)式可近似为ni=nzi2根据图示角度关系可知i=+0,i=0-,所以(2)式可变形为 ni(+0)=n2(0-),即ni+n2=(n2-ni)e又因,0,i,iz都很小,故有P,o-4P。代人(3)式化简得AP1ni+n2=2-ni(2)(3)APAP,=OP1(4)一4 9 一2023年第8 期上式中1,1 分别表示物距和像距。显然1 可正可负,与n1,n2有关。当1 为负值时,折射光线并没有汇聚(但反向延长线汇聚了),所以成一虚像;另外,若将Q当作物点,根据光路的可逆性,则0 即为像点,(4)式
5、关系仍然成立,但是具体代入(4)式后,(4)式右边分子变为n1-n2,和原(4)式相比可理解为r取负值。故上式中r的正负可依据从物方看单球面的凸凹形状来判断,简单归纳为“凸为正,凹为负”4 。2实实心水球光学成像分析通过水球左侧面的折射光线,一部分避开空心部分直接从右侧单球面折射出去,此时可忽略空心部分当作实心水球分析;另一部分依次经过水球的四个单球面折射成像。所以,可将折射光线分为两部分讨论 5 。首先,分析实心水球成像。设水球的外径和内径分别为R,r(Rr),如图3所示。水和空气的折射率分别为1.33和1,水球左侧折射时根据(4)式可得1 1.33 0.33T+R现考虑一特殊情况:当光线经
6、水球左侧面(凸面)后沿平行于轴线折射出去时,即1 8,由(5)式可得l=3.03R,如图3所示。以该特殊位置为临界点对1 进行分类讨论。Ql=3.03R图3实心球I=3.03R的折射示意图(1)=3.03R根据(5)式,当l=3.03R时,I8。即经过左侧面折射光为平行于轴线的光线。该折射光线再次经右侧单球面(凹面)折射时根据(4)式可得1.33 1=-0.33(6)LL-R由于左侧折射光线是右侧入射光线(也可理解为左侧像即为右侧物),所以式中L,由(6)式得L=3.03R,如图3所示。即当I=3.03R时,经过实心水球在另一侧成等大倒立的实像。(2)I3.03R根据(5)式,当I3.03R时
7、1.33Rl1=00.331-R-50-物理教学探讨由(7)式可知,l随1 增大而减小,且当I3.03R时,l4.03R。因此,左侧成像应在右侧球外,但右侧球面在左侧折射光线成像前再次折射,所以左侧折射光线实际并未成像。那么,右侧人射光线即可视为左侧虚物所发出。所以,右侧球面折射时(虚)物距L=-(l-2R),虚物用负号表示(下同)。l是左侧面距离,L是右侧面距离,两者距离需要换算(下同)。右侧面折射时根据(4)式可得1.33+1=-0.33T-2R+-R由(7)(8)式可得L0,右侧成实像。且L随l增大而减小,当I3.03R,即1 4.0 3R,则1.0 1 RL3.03R时,经过实心水球在
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 天宫 课堂 水球 光学 实验 浅析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。