全反射中的幾個(gè)趣味小魔術(shù)

王歡 楊英

摘? ?要：文章主要運(yùn)用全反射相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)并自制幾套有關(guān)全反射的實(shí)驗(yàn)演示裝置。在課堂教學(xué)中，巧妙運(yùn)用魔術(shù)的形式向?qū)W生演示，以新奇、效果明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，從而幫助學(xué)生理解課堂所學(xué)知識(shí)，并學(xué)會(huì)應(yīng)用，突破重難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：全反射;自制教具;小魔術(shù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）7-0050-4

《全反射》是高中物理人教版選修《物理3-4》中光學(xué)的核心內(nèi)容之一[1]，學(xué)生在本節(jié)之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了光的直線傳播、光的反射和光的折射等相關(guān)內(nèi)容，而全反射不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)的另一種全新的光學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)也是對(duì)前面所學(xué)光學(xué)現(xiàn)象的鞏固和應(yīng)用。但學(xué)生在生活中接觸到的涉及全反射知識(shí)的現(xiàn)象較少，教材中給出的“全反射棱鏡”和“光導(dǎo)纖維”，學(xué)生也只是“聽其名未見其人”，對(duì)于全反射現(xiàn)象學(xué)生缺少直觀的接觸和感性的認(rèn)識(shí)。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，一切理論要建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。因此，課堂教學(xué)中穿插演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生身臨其境感受物理現(xiàn)象，在新課教學(xué)中是非常重要的。

本文主要針對(duì)全反射知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，自制幾個(gè)創(chuàng)新演示教具，以魔術(shù)的形式在物理教學(xué)過程中展現(xiàn)，以此活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的能力。體現(xiàn)當(dāng)今社會(huì)所要求的“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的思想，以及“物理源于生活，但高于生活”的理念。

1? ? 魔術(shù)1“移花接木”

1.1? ? 設(shè)計(jì)思路及原理

全反射棱鏡是截面為等腰直角三角形的透明玻璃磚，所用玻璃的折射率約為1.5，根據(jù)公式n=計(jì)算可知光從這種玻璃射入空氣時(shí)臨界角約為42°。當(dāng)光從直角邊垂直射入玻璃時(shí)，由于光的入射方向與玻璃面垂直，光線不發(fā)生偏折。但在棱鏡內(nèi)部，光從玻璃射向空氣的交界面處，入射角（45°）大于臨近角（42°），發(fā)生全反射，改變了原本光路的傳播方向[2]。與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎達(dá)到100%，并且反射失真小，因此在生活中廣泛應(yīng)用。

在教材《全反射》這一小節(jié)的應(yīng)用中，提到了全反射棱鏡的概念，講解了全反射棱鏡的原理以及在生活中的應(yīng)用。但學(xué)生由于沒有親眼所見，對(duì)于書本上知識(shí)概念的理解是抽象并且模糊的。因此，筆者以全反射棱鏡為題，利用全反射棱鏡設(shè)計(jì)出一套實(shí)驗(yàn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)向?qū)W生演示有關(guān)全反射棱鏡的光學(xué)現(xiàn)象和其對(duì)光學(xué)的反射作用。讓學(xué)生深入感受、理解和應(yīng)用其中所涉及到的全反射的知識(shí)，而不是只停留在理論和課本當(dāng)中。

設(shè)計(jì)以全反射棱鏡能改變光路傳播方向?yàn)榍腥朦c(diǎn)，通過巧妙設(shè)計(jì)，運(yùn)用兩個(gè)相同的棱鏡、紅綠色激光筆和亞力克容器等制作出一組實(shí)驗(yàn)裝置，通過放水與注水的過程，使兩條出射光線位置巧妙互換，造成“移花接木”的假象。實(shí)驗(yàn)利用的正是全反射的原理，容器放水前，光線從玻璃射入水中時(shí)不發(fā)生全發(fā)射，沿著原來的方向出射，原理如圖1所示。而將容器放水后，光線在全反射棱鏡中發(fā)生全反射，出射的紅色光和綠色光互換位置，原理如圖2所示。

1.2? ? 所需材料與制作

所需材料：等腰直角三角形棱鏡（全反射棱鏡）兩個(gè)（直角邊和厚度的尺寸為3 cm×3 cm×3 cm）、紅色激光光源、綠色激光光源、透明亞克力板、導(dǎo)管、玻璃膠。

制作方法：

首先，使用透明亞克力板制作一個(gè)無蓋亞克力容器（15 cm×15 cm×8 cm），容器下方開孔，與排水導(dǎo)管相連接，制作完成后檢驗(yàn)其是否漏水。檢查無誤后，將兩塊相同的等腰直角三角形棱鏡斜邊相對(duì)，間隔1 cm，用膠水固定在容器正中。將整個(gè)容器用玻璃膠固定在亞克力背板上，使其能夠直立展示。最后，將紅、綠色激光筆分別固定在亞克力背板上，調(diào)整激光筆的位置，使激光筆的光線正好能垂直照射在棱鏡直角邊的中間。制作好后的裝置如圖3所示。

1.3? ? 演示及效果

將容器中注水，打開激光筆，可以看到：橫著紅色光入射，橫著紅色光出射;豎著綠色光入射，豎著綠色光出射，如圖4所示。而放水后，出射的紅色光和綠色光位置對(duì)調(diào)，變?yōu)闄M著綠色光出射，豎著紅色光出射，如圖5所示。

在實(shí)際課堂教學(xué)中，教師可將亞克力容器設(shè)置成黑箱，使學(xué)生看不到內(nèi)部構(gòu)造，只保留入射光線和出射光線。引導(dǎo)學(xué)生猜想黑箱中可能的光路構(gòu)造，不僅可以鍛煉學(xué)生對(duì)于折射和反射知識(shí)的靈活運(yùn)用能力，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。隨后再打開黑箱，讓學(xué)生觀察其中的“奧秘”，學(xué)生就能很容易地理解“全反射”的概念，掌握本節(jié)課的知識(shí)。

2? ? 魔術(shù)2“川劇變臉”

2.1? ? 設(shè)計(jì)思路及原理

筆者就潛望鏡中的平面鏡和全反射棱鏡中的三棱鏡可以改變光路的傳播方向思考，巧妙設(shè)計(jì)讓光線在水和空氣中傳播時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象，同樣也能改變光路的傳播方向，并且巧妙地融入趣味“變臉”小魔術(shù)，增強(qiáng)課堂中與學(xué)生的互動(dòng)性。

基于光線從水中射向空氣大于臨界角時(shí)發(fā)生全反射，自制一個(gè)正方形水槽，水槽中間留有空隙。當(dāng)水槽兩邊注水時(shí)，對(duì)應(yīng)的光路圖如圖6所示。當(dāng)中間也注滿水時(shí)，光線不發(fā)生全反射，光路圖如圖7所示。因此，注水前后的過程在圖示的位置觀察可以看到不同顏色的臉譜。

2.2? ? 所需材料與制作

所需材料：透明亞克力板、A4紙打印的紅色臉譜和藍(lán)色臉譜各一張、玻璃膠、雙面膠。

制作方法：首先，按需要的尺寸大小切割透明亞克力板，使用玻璃膠將亞克力板粘成40 cm×40 cm×20 cm的水槽，水槽中間使用兩塊53 cm×20 cm長方形亞克力隔板將水槽分隔為兩部分，兩塊隔板中間間隔2 cm左右寬度。隨后注水，檢查水槽是否漏水。檢查完成后，將提前打印好的紅色臉譜和藍(lán)色臉譜裁剪成適當(dāng)尺寸，分別使用雙面膠粘在水槽兩邊亞克力板的外側(cè)。制作好后整體如圖8所示。

2.3? ? 演示及效果

將水槽兩側(cè)三角形部分注滿水，在上述觀察位置觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)看到的是紅色臉譜，如圖9所示。隨后，老師將“魔力水”緩緩倒入水槽中間隔板處，在相同位置觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)紅色臉譜慢慢變成藍(lán)色臉譜，注滿水后，紅色臉譜消失，只能看見藍(lán)色臉譜，如圖10所示。

本套實(shí)驗(yàn)裝置將全反射與四川特色“川劇變臉”巧妙結(jié)合起來，制作簡單，現(xiàn)象明顯，在實(shí)際教學(xué)過程中使用能起到較好的教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、遷移與應(yīng)用。

3? ? 魔術(shù)3“數(shù)字消失”

3.1? ? 設(shè)計(jì)思路及原理

在前面初中光學(xué)學(xué)習(xí)中曾做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將硬幣放在裝水的碗底，從一些角度觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)硬幣“消失”了，其中涉及的光學(xué)原理是光沿直線傳播和光的折射[3]。筆者以此為靈感，思考涉及光的全反射相關(guān)知識(shí)是否也有類似的實(shí)驗(yàn)。通過查閱相關(guān)資料和對(duì)全反射現(xiàn)象的深入研究，利用透明自封袋設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到同樣的效果。將寫了字的白紙放入透明自封袋，再將透明自封袋放入水中，在正上方觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)字消失了。而在自封袋表面寫字，在同樣的角度觀察，卻發(fā)現(xiàn)字還能看見。形成對(duì)比，引發(fā)學(xué)生思考。

原理是由于自封袋中存在空氣，白紙上的數(shù)字的光透過自封袋從空氣射向水中時(shí)，發(fā)生了一次折射，改變了光線的傳播路徑，光線再經(jīng)過水射向空氣時(shí)，發(fā)生全反射，折射光消失。因此，在同樣的角度觀察時(shí)，自封袋內(nèi)部寫的字看不到，而表面寫的字卻能看到。

3.2? ? 所需材料與制作

所需材料：透明自封袋、長方體水槽、白紙、油性筆。

制作方法：將白紙裁剪成合適的尺寸，寫上數(shù)字，放進(jìn)其中的一個(gè)自封袋中。將同樣大小但未寫字的白紙放入另一個(gè)自封袋中，在另一自封袋表面寫上相同的數(shù)字。

3.3? ? 演示及效果

先讓學(xué)生觀察兩個(gè)自封袋，從表面看，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)自封袋似乎是“相同”的，如圖11所示。然后，將兩個(gè)自封袋分別放入盛水的水槽中，從正上方觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)自封袋上的數(shù)字消失了，如圖12所示。教師隨之提問學(xué)生其中的原理，學(xué)生首先想到的是光的折射，教師引導(dǎo)學(xué)生思考、討論后發(fā)現(xiàn)不是光的折射引起的。隨后，教師帶領(lǐng)學(xué)生找出其真正的原因，學(xué)習(xí)全反射現(xiàn)象。親身經(jīng)歷了這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過程，學(xué)生能進(jìn)一步加深對(duì)于全反射概念的理解。

4? ? 總結(jié)與展望

以上介紹的幾組自制教具可以用于演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能起到非常好的演示效果。

設(shè)計(jì)并制作這幾組實(shí)驗(yàn)所用到的原材料在生活中隨處可見，制作過程簡單，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)過程易于操作。能有效彌補(bǔ)教材中演示實(shí)驗(yàn)的不足，可廣泛應(yīng)用于高中物理課堂教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌，彭前程，等.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2016：5-7.

[2]袁乃素.基本光學(xué)元件與“黑匣問題”[J].物理教學(xué)探討，2002，20（9）：22.

[3]張林.初中物理“光的折射”引入情景的設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].物理教學(xué)，2016，38（5）：41-43.

（欄目編輯? ? 王柏廬）

收稿日期：2019-12-17

基金項(xiàng)目：本文為重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于TRIZ探究創(chuàng)新理論建設(shè)線下金課——‘物理課程與教學(xué)論”（193091）的研究成果。

作者簡介：王歡（1995-），女，重慶師范大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢砼c課程教學(xué)論。

通訊作者：楊英（1975-），女，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，長期從事物理學(xué)科課程與教學(xué)論方向的研究。