《2025年科学实验活动册八年级上册浙教版》

活动情境
光纤(如图1-9)即光导纤维,是一种由玻璃或塑料制成的纤维。光纤因具有传输速度快、距离远的特点,被用于网络中的数据传输或电话通信。光在光纤管中携带信号进行传输的过程中,遇到玻璃或塑料会发生反射和折射。一旦发生折射,部分光将射出光纤管,易造成光能的损耗,从而影响传输距离,因此光在光纤管内只能发生反射(如图1-10)。如何实现这个过程呢？让我们用水流来模拟光纤的传播原理,从中寻找答案。


活动目的
1. 知道光沿水流传播的现象。
2. 了解光纤传播的基本原理。
3. 体验模拟实验在科学研究中的作用。
活动准备
矿泉水瓶,激光笔,光屏,酒精灯,铁钉,尖嘴钳,水槽,牛奶,水,直径约5 mm的吸管,剪刀,橡皮泥(或热熔胶枪)等。
活动过程
一、制作带孔矿泉水瓶并检验其功能
1. 用尖嘴钳夹住铁钉在酒精灯火焰上加热,然后对准瓶身距离底部约35 mm高度处烫出一个直径约5 mm的孔。
注意
打孔的位置尽可能平整,避开沟槽部位。避免高温的铁钉烫伤人体皮肤。
2. 用剪刀剪出一小段长度为5～10 cm的吸管(直径约5 mm)插入小孔中,接口处用橡皮泥或热熔胶密封并固定。在矿泉水瓶中装满水,拧紧瓶盖时小孔没有水流喷射,拧开瓶盖后,水能从小孔喷射出并形成一段弯曲的水流。
二、实验操作
1. 选择一个光照较暗的环境或暗室,将制作好的矿泉水瓶放置在水平实验台上,再将激光笔固定在支架上,放置于矿泉水瓶未打孔一侧,距矿泉水瓶约5 cm的位置。将水槽放置在实验台下方,在矿泉水瓶吸管一侧距离矿泉水瓶约20 cm的位置放置一块光屏,如图1-11装置。

2. 用手堵住吸管上的小孔,向瓶中倒入混有1～2滴牛奶的水,拧紧瓶盖。打开激光笔,调整光束方向,使光束恰好穿过吸管,在吸管一侧的光屏处形成光斑,观察激光在矿泉水瓶中的光路。
3. 拧开瓶盖,使水从小孔流出并形成一段喷射的水流,保持激光始终射向吸管,观察激光离开瓶后沿水流传播的路径,并将路径图绘制在下面方框中。
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三、分析与评价
1. 分析液面高度对光在水流中传播路径以及光斑位置的影响,并结合“拓展研究”的内容解释光沿水流传播的原理。
2. 利用下表对活动过程进行评价。
表1-5 利用水流模拟演示光纤原理的评价量表
|评价指标|评价内容(请根据真实表现判断,做到的在“是”栏画“√”,未做到的在“否”栏画“√”)|自我评价|小结|
| | |是|否| |
|材料选择|(1)选择瓶身表面相对光滑的矿泉水瓶|□|□| |
| |(2)孔径大小约为5 mm|□|□| |
|装置制作|(3)孔形状为圆形且边缘光滑|□|□| |
| |(4)光源固定且能对准圆孔|□|□| |
| |(5)接口密封牢固,水流稳定|□|□| |
续表
|评价指标|评价内容(请根据真实表现判断,做到的在“是”栏画“√”,未做到的在“否”栏画“√”)|自我评价|小结|
| | |是|否| |
|观察效果|(6)观察到光路的清晰度高,能在水槽中观察到激光的光斑|□|□| |
|实验习惯|(7)完成实验后,整理好器材和实验桌面|□|□| |
思考与讨论
1. 为了使实验现象更加明显,可以从哪些角度考虑改进？
2. 实验过程中,水流的弯曲程度会随着液面高度的变化而变化。若水流弯曲程度增大,你发现实验效果是更加明显还是不明显？并说明理由。该现象对我们平时使用光纤(比如网线)有什么启示？
3. 孔径大小对光在水流中的传播路径以及光斑位置是否有影响？请利用控制变量法设计实验方案。
拓展研究
如图1-12甲所示,当光从水中斜射入空气时,折射角大于入射角。当入射角增大时,折射角也增大。当折射角增大到$90^\circ$时,如图乙所示,此时折射光线消失,只剩下反射光线,这种现象称为全反射,刚好发生全反射时的入射角叫作临界角。

(1)若有一束光以不同的角度射入光纤管内,如图1-13甲和乙,哪种入射角度更有可能会使光发生全反射？请说明理由。

(2)光在不同介质中传播速度不同。科学上通常把光速(该介质中光的速度)大的介质叫作光疏介质,光速小的介质叫作光密介质。只有当光由光密介质斜射入光疏介质且入射角大于或等于临界角时,才会发生全反射现象。如图1-14甲所示,光纤在结构上有内芯和外套两种不同介质,为了保证光不会泄漏到光纤外(如图1-14乙),内芯与外套哪个是光密介质,哪个是光疏介质？请说说理由。

答案： 三、分析与评价
1.液面高度越高，水流越弯曲，光在水流中传播路径越弯曲，光斑位置越低。这是因为随着液面高度降低，水流速度减小，水流弯曲程度增大，光在水流中发生反射的次数增多，传播路径更弯曲，最终导致光斑位置降低。结合拓展研究，光从水（光密介质）射向空气（光疏介质），当入射角大于临界角时会发生全反射，光就能沿着水流传播，类似于光纤中光的传播原理。
2.材料选择：
(1)是
(2)是；装置制作：
(3)是
(4)是
(5)是；观察效果：
(6)是；实验习惯：
(7)是 。
思考与讨论
1.可以从以下角度考虑改进：使用更纯净的水，减少杂质对光的散射；增加牛奶的滴数，使光路更清晰；在较暗的环境中进行实验，减少外界光线干扰等。
2.若水流弯曲程度增大，实验效果更加明显。因为水流弯曲程度增大，光在水流中发生反射的次数增多，光路更复杂，光斑的变化更明显，能更直观地观察到光沿水流传播的原理。该现象启示我们在使用光纤时，要保证光纤的弯曲程度在合适范围内，避免过度弯曲导致光信号泄漏，影响传输效果。
3.实验方案：准备两个除孔径大小不同外，其他条件（如矿泉水瓶、吸管长度、水的流速等）都相同的装置。分别进行实验，观察并记录光在水流中的传播路径以及光斑位置。比较两次实验结果，分析孔径大小对光在水流中的传播路径以及光斑位置的影响。
拓展研究
(1)乙种入射角度更有可能使光发生全反射。因为乙图中光从光纤射向空气的入射角更大，当入射角增大到临界角时就会发生全反射，所以乙种入射角度更有可能达到临界角，使光发生全反射。
(2)内芯是光密介质，外套是光疏介质。因为光要在光纤中发生全反射从而沿光纤传播，就需要光从光密介质（内芯）射向光疏介质（外套），且入射角大于或等于临界角，这样才能保证光不会泄漏到光纤外。