光現(xiàn)象系列演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新＊

謝桂英

（廣州市第五中學(xué)，廣東 廣州 510250）

光現(xiàn)象探究活動(dòng)是初中物理一個(gè)很重要的探究活動(dòng)，但這部分內(nèi)容較抽象，既是重點(diǎn)也是難點(diǎn).對(duì)探究光在同種均勻介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)、探究并了解光的反射和折射的規(guī)律、探究平面鏡成像規(guī)律、探究凸透鏡成像規(guī)律，課標(biāo)明確要求是科學(xué)探究Ⅱ，對(duì)白光是由色光組成的、色光的混合課標(biāo)明確要求是科學(xué)探究Ⅰ.

1 改進(jìn)、創(chuàng)新的思路

目前配套的《光現(xiàn)象探究活動(dòng)器材》，卻存在著不足：探究材料不足，缺乏有效說明、指引，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維存在局限性.多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)證明光靠教師講、課件和教具演示，效果不理想.針對(duì)不足，作者嘗試對(duì)現(xiàn)有配套的《光現(xiàn)象探究活動(dòng)器材》對(duì)初中物理光現(xiàn)象系列演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、創(chuàng)新，自制光現(xiàn)象系列演示實(shí)驗(yàn)儀，并將改進(jìn)、創(chuàng)新后的活動(dòng)器材再次用于課堂教學(xué)，取得良好的教學(xué)效果.

2 改進(jìn)、創(chuàng)新的依據(jù)

（1）《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》基本理念：鼓勵(lì)積極探究，使學(xué)生了解物理知識(shí)的功能價(jià)值，形成主動(dòng)學(xué)習(xí)的態(tài)度.

（2）《物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》解讀對(duì)義務(wù)教育物理課程實(shí)驗(yàn)提出明確要求，在“內(nèi)容要求”中，凡是用“通過實(shí)驗(yàn)”這一措辭陳述的知識(shí)內(nèi)容，都必須通過實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)，這些實(shí)驗(yàn)是必須做的.同時(shí)也提倡用自制教具和低成本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng).

3 改進(jìn)、創(chuàng)新研究實(shí)例

系列1：光的直線傳播直觀演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級(jí)上冊(cè)第4章第1節(jié)，關(guān)于光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，沒有直觀的演示，通常處理是用口講或課件演示，學(xué)生較難理解.本演示儀能夠直觀演示光的直線傳播，大大提高講課的效率，學(xué)生也可以使用它來做探究活動(dòng).

制作材料：廢酒盒1個(gè)（木質(zhì)的），夾子1個(gè)，黑紙板1張，螺釘和螺帽各1個(gè)（成套配用）.

制作過程：將廢酒盒里面一端釘1塊小木板，將螺釘裝上，另一端挖1個(gè)小孔（大小剛好能塞1支激光筆），用黑紙板將廢酒盒口封上，合上蓋子，就做成了黑盒.

實(shí)驗(yàn)器材：自制光的直線傳播直觀演示儀，蚊香，激光筆，火柴.

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）如圖1，用夾子夾好蚊香，點(diǎn)燃.將蚊香固定在盒里面，并蓋上蓋子.

圖1

圖2

（2）如圖2，用激光小手電筒從旁邊射入，能看見光在空氣中沿直線傳播，演示成功.

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處：

（1）自制黑盒，成本低.

（2）蚊香燃燒時(shí)間長(zhǎng)，煙較多而且穩(wěn)定，演示效果明顯.

（3）體積小，方便全班傳閱.

系列2：光的反射直觀演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級(jí)上冊(cè)第4章第2節(jié)光的反射，通常是利用平面鏡、白紙、激光筆、光屏、鐵架臺(tái)、量角器等器材，通過實(shí)驗(yàn)研究光的反射定律，沒有專門的實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)過程比較繁瑣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)效率較低.作者自制光的反射直觀演示儀，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象直觀準(zhǔn)確，大大提高了上課的效率，學(xué)生也可以用它來做探究活動(dòng).

制作材料：平面鏡1塊約長(zhǎng)5cm、寬5cm，鐵板2塊約長(zhǎng)20cm、寬15cm，A4白紙2張，木板1塊約長(zhǎng)30cm、寬10cm，木條2條1條約長(zhǎng)30cm、寬2.5cm，另一條約長(zhǎng)15cm、寬2.5cm，磁鐵1塊.

制作過程：

（1）將2塊鐵板一面用透明膠粘好，另一面用502膠水將A4白紙貼好，注意要平整，再將1張復(fù)印好量角器的白紙貼好.

（2）將小磁鐵鑲?cè)腴L(zhǎng)木條中，并用502膠水將兩條小木條固定在木板上，中間留約1cm縫隙.

圖3

（3）將鐵板插入木條之間，整個(gè)裝置如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)器材：自制光的反射直觀演示儀，2支激光小手電筒.

實(shí)驗(yàn)過程：用激光小手電筒探究光的反射定律，如圖4、5所示.

（1）研究光的反射規(guī)律（2線分居和2角相等）.

（2）還能看到反射光線嗎？（3線同面）.

（3）光路可逆.

圖4

圖5

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處：成本低，操作方便，效果明顯，尤其演示光路可逆.

系列3：光的折射直觀演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級(jí)光的折射，一般學(xué)校沒有學(xué)生實(shí)驗(yàn)配套儀器，學(xué)生難于做實(shí)驗(yàn).筆者利用實(shí)驗(yàn)原有的器材，加上精心制好的“量角器”，組合成光的折射直觀演示儀，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象直觀準(zhǔn)確，大大提高了上課的效率，學(xué)生也可以用它來做探究活動(dòng).

制作材料：水槽1個(gè)，激光小手電筒1支，塑料角架1個(gè)，鐵板1塊約長(zhǎng)25cm、寬20cm，油性筆1支，量角器，圓規(guī).

制作過程：

（1）先將鐵板用油漆油成白色，利用量角器、圓規(guī)和油性筆精心畫上1個(gè)圓并標(biāo)上刻度，做成“量角器”.

（2）將實(shí)驗(yàn)原有的水槽、角架、激光小手電筒1支、擴(kuò)束器和自制量角器”組合成光的折射直觀演示儀.

實(shí)驗(yàn)過程：用激光小手電筒探究光的折射規(guī)律，如圖6、7所示.

（1）水槽裝水，將自制“量角器”放入水中.

（2）探究光從空氣斜射入水的折射情況.

（3）探究光從水斜射入空氣的折射情況.

圖6

圖7

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處：成本低，操作方便，效果明顯.

系列4：海市蜃樓的實(shí)驗(yàn)演示儀.

人教版初中物理8年級(jí)光的折射，提到海市蜃樓現(xiàn)象.海市蜃樓，是大氣光學(xué)現(xiàn)象，光線經(jīng)過不同密度的空氣層后發(fā)生顯著折射，使遠(yuǎn)處景物顯示在半空中或地面上的奇異幻景，常發(fā)生在海上或沙漠地區(qū).古時(shí)傳說這種幻景是海里的蜃吐氣而成的，故而得名.

原來情況：海市蜃樓現(xiàn)象，沒有專門的實(shí)驗(yàn)儀器演示，通常處理是先讓學(xué)生看視頻，再分析海市蜃樓的成因，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不大，學(xué)習(xí)效果欠佳.

能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)直觀演示，光在不均勻光線沿曲線傳播，用實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身感受一下什么海市蜃樓，對(duì)理解海市蜃樓成因，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣會(huì)有很大幫助.

改進(jìn)思路：設(shè)想讓光在不均勻的鹽水中沿曲線傳播，代替光在不均勻空氣中沿曲線傳播.

最初筆者在暗室桌面放一個(gè)長(zhǎng)方體魚缸，裝入大半缸水，在向魚缸里均勻撒鹽，不攪拌靜置2h，使鹽水成為不均勻介質(zhì)，用激光筆沿內(nèi)側(cè)缸壁斜向下射出激光，將會(huì)看到水面下方的光路是彎曲的，但演示效果不明顯.后來反復(fù)實(shí)驗(yàn)，將容器底面做成弧面，效果最好.

制作材料：透明塑料板若干，502膠水，玻璃膠.

圖8

制作過程：如圖8，用透明塑料板拼裝成一個(gè)圓弧形水槽，用玻璃膠拼接，保證容器不漏水.

實(shí)驗(yàn)演示過程：

（1）在水槽中裝滿水.

（2）在水槽中均勻?yàn)⑸弦粚欲}（或白沙糖），不可攪拌，放置0.5h以上.

（3）半小時(shí)后，用激光筆從水槽一側(cè)射入激光，在較暗的環(huán)境下，可以看得激光在水中沿曲線運(yùn)動(dòng).演示后的效果如圖9，真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果圖如圖10.

圖9

圖10

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

（1）海市蜃樓是地球表面大氣的一種光折射現(xiàn)象，底面應(yīng)做成弧面.

（2）根據(jù)光線在不均勻空氣中傳播，保留用鹽水代替空氣，光線應(yīng)只在鹽水中傳播.

（3）光線呈現(xiàn)的距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)，其彎曲程度才可以用眼睛明顯看到.

（4）用功率大的綠色激光筆比紅色激光效果好.

（5）演示時(shí)室內(nèi)關(guān)閉其他光源，周圍環(huán)境越暗越好.

創(chuàng)新之處：

（1）能直觀演示光在不均勻介質(zhì)傳播，光的傳播方向會(huì)發(fā)生改變.

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯，讓學(xué)生親身感受一下什么海市蜃樓，能大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

（3）操作方便.

（4）實(shí)驗(yàn)成本低.

系列5：簡(jiǎn)易多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級(jí)上冊(cè)光現(xiàn)象和透鏡及其應(yīng)用，一般學(xué)校用激光演示儀，但激光演示雖然射出來的激光強(qiáng)度大，光只能從一個(gè)方向射入，很難演示光路可逆.加上激光演示儀比較貴重，也較笨重，不容量攜帶和操作.我們自制的激光演示儀，簡(jiǎn)單輕便，操作簡(jiǎn)單，尤其可演示光路.這樣可以直觀準(zhǔn)確，大大提高上課的效率，學(xué)生可以用來探究光學(xué)大部分實(shí)驗(yàn).

制作材料：2塊木板（1塊長(zhǎng)約長(zhǎng)40cm、寬15cm，1塊約長(zhǎng)37cm、寬31cm），A4白紙8張.螺絲釘16顆，小鐵板2塊.

制作過程：

（1）將木板油上白漆，晾干.

（2）用4張A4白紙用502膠水平整貼在長(zhǎng)37cm、寬31cm的木板上，用4張A4紙復(fù)印圓，并將它平整貼在木板上.

（3）用電鉆鉆合適的小孔，將旋轉(zhuǎn)按鈕（廢舊激光演示儀拆下的）裝上，并用鐵板打上螺絲釘，將長(zhǎng)37cm、寬31cm木板豎直固定在長(zhǎng)約長(zhǎng)40cm、寬15cm木板上.

實(shí)驗(yàn)器材：1個(gè)自制“簡(jiǎn)易多功能光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示儀”，激光小手電筒，平面鏡，凹面鏡，凸面鏡，玻璃磚，凸透鏡，凹透鏡等.

實(shí)驗(yàn)過程：（1）探究光的折射規(guī)律（圖11、12）.

（2）探究凹面鏡對(duì)光線的會(huì)聚（圖13）.

圖11

圖12

圖13

（3）探究凸面鏡對(duì)光線的發(fā)散（圖14、15）.

圖14

圖15

（4）還可以演示光的反射，凸透鏡、凹透鏡對(duì)光線折射作用，玻璃磚對(duì)光線折射作用等.

創(chuàng)新之處：

（1）廢物利用，制作成本低.

（2）實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單輕便.

（3）操作簡(jiǎn)單，演示效果明顯，尤其演示光路，大大提高上課的效率.

（4）多功能，可以用來探究光學(xué)大部分實(shí)驗(yàn).

系列6：色光三原色的合成實(shí)驗(yàn)演示儀器.

原來情況：物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）明確規(guī)定：通過實(shí)驗(yàn)，了解白光的組成和不同色光混合的現(xiàn)象.以前配套的實(shí)驗(yàn)是，用皮帶輪旋轉(zhuǎn)均勻分布的紅、綠、藍(lán)3張紙，通過3張紙反射出來的色光再混合成白色，演示效果較差.后來市面上也出現(xiàn)了直接用紅、綠、藍(lán)3種燈射出3種色光，主要原因是光線不夠強(qiáng)或色光顏色不夠純?cè)斐?

設(shè)計(jì)思路：找到能純紅、綠、藍(lán)（RGB），通過增大LED燈的亮度和調(diào)整3個(gè)凸透鏡的焦距和間距來增強(qiáng)射出去的光的亮度，使到演示效果大大增強(qiáng).

制作材料：大功率（約3W）的LED燈（純紅、純綠、純藍(lán)各1個(gè)），PVC管，凸透鏡9個(gè)（直徑40mm，焦距為100mm的3個(gè)，直徑為30mm、焦距為50mm的6個(gè)）學(xué)生電源1臺(tái)（能提供5V～18V的直流電壓），木板1塊，電位器3個(gè).

制作過程：

（1）網(wǎng)上夠大功率（約3W）的LED燈（純紅、純綠、純藍(lán)各1個(gè)）.

（2）用木板做成1個(gè)可以直立的支架.

（3）將凸透鏡9個(gè)（直徑40mm，焦距為100mm的3個(gè)，直徑為30mm、焦距為50mm的6個(gè)）和PVC管做成3組可調(diào)焦的凸透鏡組，并將大功率（約3W）的LED燈（純紅、純綠、純藍(lán)各1個(gè)）裝上，如圖16，17所示.

（4）裝上電位器調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，最后組合成如圖18.

圖16

圖18

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）演示紅光和綠光混合.

（2）演示藍(lán)光和綠光混合.

（3）演示紅光和藍(lán)光混合.

（4）演示紅光、綠光、藍(lán)光混合成白色.

創(chuàng)新之處：本作品通過增大LED燈的亮度和調(diào)整3個(gè)凸透鏡的焦距和間距來增強(qiáng)射出光的亮度，使演示效果大大增強(qiáng).