一、项目背景
长期以来，为能使学生探讨研究、理解掌握几何光学中的一些现象和规律，科学教育工作者经常采用一些方法制作器材，如用烟雾显示光路、用长且笨重的光距座进行凸透镜成像规律的探究。但是用烟雾显示光路，烟雾的浓淡难以控制以至于很难清晰地显示光路；传统的用光距座进行凸透镜成像规律的探究，不仅光距座笨重，不易携带，而且移动、调节光学器件也不方便灵活。为避免这些缺点，笔者利用超声波高频振荡器将水雾化为1～5微米粒子，来清晰地显示光在空气中的光路，将光距座改为火车铁轨式轨道，用小车代替光距座上的滑块，这样在安装和移动物体(如蜡烛、本教具所设计的双箭头发光二极管)、光屏、面镜或透镜时，会更方便、更容易：把轨道制成两节，不用时叠放在一起。整个装置折叠成一个箱子，便于携带和存放；所有实验在三面遮光一面透明的箱子里进行，黑体的箱子使实验现象更明显。采用拉杆天线式支杆，便于调节物体、光屏或透镜的高度；采用发光二极管制成双箭头发光体代替蜡烛，避免了燃烧蜡烛带来的各种污染。基于以上原因，笔者制作了多功能科学探究箱(光学部分)。
二、制作材料
厚木板35cm×25cm一块(A)、薄木板35cm×25cm二块(M、N)、厚木板35cm×25cm一块(D)、木条35cm×5cm×3cm二个、薄木板35cm×9cm四块(H、J、R、Q)、长35cm L形铝条一根(L)、薄木板15cm×9cm一块、薄木板35cm×12cm四块(X、Y、y1、rp)、铝片制成的类似铁路轨道的小车轨道35cm×9cm二片和15cm×9cm一片、中心带槽小车三个、三面黑色一面透明底带透明直径为5cm圆桶(K)、大小为25cm×20cm×6cm水槽一个、长螺丝钉和螺丝钉帽一套、可微调的透镜装置(包括滑动槽、滑动卡片hp及其透镜箍T)z一套、两节拉杆式支柱四个、橡皮胶塞(能刚好放进小车中心槽中)四个、眼轮廓模型一个、长圆方形光屏各一个、用红绿发光二极管制成的双箭头发光体一个、宽20cm的保鲜薄膜一卷、激光手电三个、长35cmU形铝杆一根。
三、制作方法
1 箱体的制作
(1)将木条35cm×5cm×3cm3刻成如图2所示平睡凹形槽二个(U和V)；
(2)将U和V钉在木板A上，u和V的距离为能使薄木板M和N在木槽中来回抽动，如图3所示：
(3)水箱G(中心有孔K，孔K的作用为由带狭缝的光源向水中提供平行光)安装在木条V上，并使其固定在木板A上，如图4所示：
(4)在水槽G前底座上固定一根L形铝条L，木板D垂直固定在L和G底板上，并能使薄木板M、N在L与D底部所形成的槽中拉动：
(5)长螺丝钉固定在底板的中心。可微调的透镜装置(包括滑动槽、滑动卡片hp及其透镜箍T)用螺母安装在长螺丝顶端，如图1所示：
(6)u形铝条固定在底板的边缘靠近并平行于木板U：
(7)两片长铝制轨道分别粘在木板H和J上，短的粘在木板S上，并能分别通过UV槽口的两端水平插入UV之间，如图1所示；
(8)薄木板(x)(Y)上方的中心位置各开一长5mm宽1cm的口，然后用靠连分别与薄木板(M)和(N)相连，如图1所示。
2 附件的制作和配备
(1)在薄木板(y1)和(yp)上方各钻一直径为6cm的圆孔。在右下方各开一个长2.5cm的小口，如图5所示。眼轮廓模型和圆方形光屏分别固定在木板(y1) (yp)的圆孔上；
(2)长方形光屏、两个凸透镜和一个凹透镜分别固定在4根拉杆天线式支架上，支架插入橡皮胶塞中，如图6所示。
三、使用方法
1 超声波高频振荡器接通电源，用塑料管将其产生的水雾通入水槽G中，用激光手电光以不同角度射入水中，探讨研究光从密度小的介质射向高密度介质中光的反射、直射现象。把激光手电光放人孔 K中，以不同角度射入水中，探讨研究光从密度大的介质射向密度小的介质中光的反射、直射现象和全反射现象。
2 带有眼轮廓模型和圆方形光屏的木板(y1) (yp)下端条形口分别卡在L形铝条上。带轨道的木板S通过UV槽口水平插入UV之间，薄木板Q盖在上口，带凸或凹透镜的小车放在轨道上，通入水雾进行远近视眼产生的原因及其矫正的研究，如图7所示。
3 带有铝轨的木板H和J通过UV槽口的两端水平插入UV之间，木板X和M、Y和N沿L铝条紧贴木板G插入L铝条与木板G形成的槽口中，把需要的光学器件放在小车上，再将小车放在轨道的适当位置，上口盖上木板R和Q，用保鲜薄膜封闭正面，如图1所示。然后通入水雾进行凸凹透镜作用的演示、凸透镜成像规律的探究、各种面镜反射特点的演示。
在上面的实验过程中，水雾进入箱子或水槽时会很快充满箱内整个空间，通过调节超声波高频振荡器功率旋钮可以改变水雾的浓淡。使光路清晰可见。
实验结束后，把木板M和N插入U形铝条中，由木板M、N、X、Y水槽和底板A组成一个箱子，其他器件一并放入箱内，以防丢失。
四、科学原理
1 光路的显示方法
多功能科学探究箱(光学部分)是一种利用超声波声波高频振荡器使水产生的1～5微米粒子，大量的1-5微米粒子能够游荡在空气中形成水雾，光照射到1—5微米粒子会发生散射现象，当一束光(如激光手电射出来的光线)穿过水雾时我们便可以看到光路。
2 可伸缩铁轨式导轨
在进行诸如凸透镜成像规律探究时。要移动物体、光屏或凸透镜，传统的移动方法是在光距座上移动滑块，但通常因为摩擦力较大使移动不灵活。笨重的光距座也给使用带来了不方便。为此改为用铝片制作类似铁路轨道的导轨，滚动产生的摩擦是很小的，当载有诸如发光物体(如蜡烛、用发光二极管制成的带箭头的发光体)、光屏、反射光或透射光光学器件在其上时就能自由移动和定位；导轨在箱底座木槽中可以自由伸缩，当实验完成后将其缩并成一个箱子。便于携带和存放。
3 光在两种介质中通过时光路的同时显示
通常我们不易使光在两种介质中通过时其路径同时显示(如光从空气射向水中)。超声波声波高频振荡器能使水产生的水雾漂浮在水上，控制超声波声波高频振荡器的功率使其产生适当的水雾，向水中滴入微量牛奶，当光在这两种介质中穿过就能同时清晰看到光从空气射向水中或光从水中射向空气中的光路，从而方便地进行光的反射、折射、全反射的研究。
4 拉杆天线式支杆
采用拉杆天线式支架，上下杆相接触之间依靠有弹性的铜片增强摩擦力能使支架可以伸缩在需要的高度。物体、光屏或镜片粘在支架的顶端，其高度就可以通过伸缩支架进行调节。
5 用发光二极管制作发光体
用红绿发光二极管制作成双箭头的发光体取代传统教学中使用的蜡烛，既方便又避免了污染，节约了能源。
评委点评
本发明的创新在于应用了一种新的介质(即利用超声波的高频振荡将水雾化)，来显示光在空气中的光路，创新的原理具有可行性，因此为教具的改进又跨进了一步。