首页 -> 2008年第1期
水流导光－多彩喷泉演示仪的设计
作者：赵显伟 贾 想
[关键字]介质 水流导光 全反射 多彩喷泉
(一)本装置的设计思想
光在水中是不足和它在空气中传播一样——沿直线传播的呢?多彩喷泉和多彩变色光纤玩具又是怎么回事呢?针对人们所看到的神奇的多姿多彩的光世界，利用一款创新研制的水流导光——多彩喷泉演示仪来揭示其中的奥妙。
人们在娱乐场合所看到的喷泉通常是将无色、透明的水利用压强差压出变成四溅的水花再利用各种色光照射而形成的。在学习了光学的知识后才知道，这种现象的成因是光的折射、全反射和色散特性引起的，即光线在从光密介质向光疏介质传播时，入射角不小于临界角的那部分光线会全部反射回光密介质中，这样就好象是它们受到了水的束缚而无法从侧面逃脱似的，本演示仪正以此为切入点，并进行巧妙构思、创新研制而成。
(二)实验原理
1、水流导光原理：如图1所示，光在水柱中传导时，在水(光密介质)和空气(光疏介质)的交界面上，折射角大于入射角，当入射角i增加至某个值C(临界角)时可使折射角r等于90度，当入射角大于临界角C时，则依照反射定律光线将发生全反射，由此可见，当水流方向发生改变，即水柱发生弯曲时，其中传导的部分光会因为全反射而出现随着水流继续传导的现象，称为水流导光现象。
2、喷泉原理：给密闭水箱打气可以使水箱的内外产生气压力差，这个压差会使水箱中的水喷射出来，并且喷射水流的高度会因为压差的大小而发生变化；若在与喷泉出口相反的方向安装多个不同颜色的光源会发生多彩喷泉现象。
(三)演示仪制作及实验操作
1、演示仪的制作。演示仪制作所需主要器材如图2所示：①气铭心；②固定件；③导管；④导线：⑤透光孔和聚光灯；⑥水箱；⑦聚光灯。
如图2所示，先用厚度合适的有机玻璃扳制作一个无上盖的水箱，并进行加固以确保耐压性和封闭性，再做两个较厚且比水箱底面四边大出2cm的盖儿，然后安装两个气铭心1和一个一端带有小漏斗的导管3，在箱底加固盖中央开一个透光孔并安装几个不同颜色的聚光灯5，使光线能透过水箱底板射向导管，最后给带有密封橡皮的上盖和下盖的四个边角处用固定件固定。
2、水流导光实验操作：①在水箱中注入约2／3的水后，盖上箱盖并进行加固；②打开水箱侧面聚光灯，拧开侧面气铭心，会看见灯光随着水流柱传导到地面上。
3、多彩喷泉实验操作：①加水、密封同上述操作；②接通下盖儿上的多彩聚光灯；③通过侧面气铭心向水箱内缓慢打气，会看见有水喷出，喷泉随着气压增大逐渐升高，与此同时，多彩的光随着喷泉射出，即出现多彩喷泉现象。
(四)对实验中可能出现的问题度功能分析
1、本实验适宜在暗光的环境中进行，因为外界强光会干扰水流导光的光源，从而降低演示效果。
2、运用全反射原理实现水流导光，利用多姿多彩的光源作为喷泉水流导光的光源，大大增强了演示仪的新颖性、创新性和可探究内容，并且不像现有喷泉那么单调。
3、本实验装置虽然简易，但它却能演示水流导光和多彩喷泉两种实验现象，并且演示效果明显，具有很好的推广价值。