蘇科版光的反射難點(diǎn)突破方法

趙朋

摘 要：本文介紹蘇科版《光的反射》教學(xué)難點(diǎn)的講授方法，教學(xué)設(shè)計(jì)中注意滲入立體幾何的知識(shí)，注意用紅色和綠色的激光儀改進(jìn)實(shí)驗(yàn)演示的效果。

關(guān)鍵詞：蘇科版；光的反射；立體幾何；紅色和綠色激光

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）12-0058-2

《光的反射》這一節(jié)內(nèi)容是蘇科版第三章《光現(xiàn)象》的最后一節(jié)，學(xué)生學(xué)完這一節(jié)，基本可以對(duì)部分光現(xiàn)象有自己的認(rèn)識(shí)，可以解釋一些現(xiàn)象。比如：人眼能看到自身發(fā)光的物體，人眼能夠看到發(fā)光物體在平面鏡中的像，人眼還能從不同方向看到本身不發(fā)光的物體，人眼還能看到不發(fā)光的物體在平面鏡中的像。前面幾節(jié)內(nèi)容，主要是對(duì)于現(xiàn)象的一些認(rèn)識(shí)，所以這一章的標(biāo)題叫做《光現(xiàn)象》，這一節(jié)是對(duì)前面內(nèi)容的一個(gè)很好的總結(jié)，也解決了之前的一些疑惑。從物理現(xiàn)象學(xué)到了物理規(guī)律，從認(rèn)識(shí)“是什么”到理解“為什么”，這就是這一節(jié)內(nèi)容在本章的地位。然而，對(duì)于光的反射規(guī)律的探究，筆者感覺(jué)教材上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一些不足，也對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行了一些思考，只要理清兩個(gè)問(wèn)題，難點(diǎn)也就突破了。

1 為什么要引入“法線”

蘇科版教材是以信息快遞的方式呈現(xiàn)了法線的概念，法線：過(guò)入射點(diǎn)并垂直于鏡面的直線。在備課過(guò)程中，筆者對(duì)于法線的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了從粗淺到深入的過(guò)程，現(xiàn)在就簡(jiǎn)單談?wù)劰P者的認(rèn)識(shí)過(guò)程：

觀點(diǎn)一：法線的引入是為了研究反射角和入射角的關(guān)系，是為了便于表述反射定律，反射定律中的三線共面，兩線分居都直接涉及了法線，等角也間接用到了法線，沒(méi)有法線，要如何表述光的反射定律呢？這種認(rèn)識(shí)，雖然膚淺，但筆者在多年的教學(xué)中基本也是這樣認(rèn)為的。

觀點(diǎn)二：立體幾何使我們了解，有交點(diǎn)的兩條直線一定共面，那么只討論反射光線與入射光線在同一平面內(nèi)就沒(méi)有意義。所以引入法線，三線共面才能表述，才能確定入射光線和反射光線在空間的位置。如圖1，紙板1的三線位置關(guān)系也是完全符合光的反射定律的，三線共面，兩線分居法線兩側(cè)，等角。但是，這樣的法線位置是不符合事實(shí)的，肯定也是錯(cuò)的。也說(shuō)明了一點(diǎn)，法線的概念引出不是角平分線，不是為了研究角度關(guān)系而得出的。

觀點(diǎn)三：物理定律的表述方式不是唯一的，比如說(shuō)牛頓定律在初中物理教材、高中物理教材和大學(xué)物理中的表述是有差異的，這種差異是為了符合不同知識(shí)儲(chǔ)備的學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。筆者覺(jué)得反射規(guī)律如果在高中物理課本中出現(xiàn)，就可以不需要引入法線的概念了，所以法線這個(gè)概念只是為了符合不具備立體幾何知識(shí)的初中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律而引入的。實(shí)際上光的反射定律有三種表述，分別是標(biāo)量表述、矢量表述和矩陣表述。標(biāo)量表述就是我們所熟知的表述，矢量表述更加精確地表述了光在空間的反射特點(diǎn)，矩陣表述更加適合于計(jì)算機(jī)對(duì)于光路的精確運(yùn)算。

但是，如果沒(méi)有法線，還能準(zhǔn)確表述反射定律嗎？可以，沒(méi)有法線的反射定律可以這樣表述：反射光線和界面的夾角等于入射光線和界面的夾角，反射光線和入射光線所在的平面與界面垂直。我們初中階段學(xué)習(xí)反射定律還不具備面與面垂直的概念，所以認(rèn)知有困難。教材采用了一個(gè)折中的方法，用法線來(lái)確定垂直于界面的這個(gè)平面。雖然線與面的垂直也屬于立體幾何的內(nèi)容，但是對(duì)于初中學(xué)生而言比面與面的垂直容易理解，既符合了學(xué)生的認(rèn)知又準(zhǔn)確表述了光的反射定律。

所以，法線的意思在于固定了反射光線和入射光線所在的平面與界面垂直。課本中法線的介紹就是從反射光線和入射光線重合這個(gè)特殊位置開(kāi)始的。符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，自然給出了法線的概念。

2 “反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)”如何突破

“三線共面”按照科學(xué)探究的一般步驟，學(xué)生要先猜想，后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，最后小組合作、交流得出“三線共面”。但是，受制于學(xué)生的幾何知識(shí)，學(xué)生的平面幾何知識(shí)不足以讓學(xué)生跳出平面到空間角度去思考，所以猜想一般是假猜想。教材的處理比較巧妙，相當(dāng)于反證法，翻折紙板沒(méi)有看見(jiàn)反射光線，只有兩側(cè)紙板在同一平面內(nèi)時(shí)，才能看到反射光線，所以“三線共面”。實(shí)際上這樣的探究最多可以算是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也會(huì)覺(jué)得莫名其妙，不知所以，僅僅記得了結(jié)論。

筆者的想法是，三線共面需要先感知，讓他們看到三條線，但是入射光線和反射光線通過(guò)煙霧可以觀察到（如圖2），法線本身就是一條輔助線，實(shí)際并不存在，是為了研究光的反射現(xiàn)象而定義的一條垂直于鏡面的直線，如何才能讓同學(xué)們看到法線呢？我們讓一束紅色激光垂直于鏡面照射，這時(shí)候入射光線和反射光線重合，這束重合的光線雖然不是法線，但正是法線所在的位置，完全可以代替法線。有了法線，我們?cè)儆靡皇G光射向同一個(gè)入射點(diǎn)，又看到了入射光線和反射光線（如圖2）。

初中學(xué)生由于不具備立體幾何的知識(shí)，他們對(duì)于三線共面的認(rèn)識(shí)只能依靠經(jīng)驗(yàn)。所以，為了加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)，老師用PVC管模擬了反射光線、入射光線和法線（如圖3）。當(dāng)老師緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)某個(gè)角度觀察時(shí)，你總能看到三條“光線”似乎匯合為一條“光線”，說(shuō)明了這三條“光線”在同一平面內(nèi)。然后，進(jìn)一步通過(guò)生活經(jīng)驗(yàn)，使同學(xué)們了解到，共面的三條線從側(cè)面某個(gè)角度觀察會(huì)只看到一條線，從而證明反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)。這樣的處理方法避開(kāi)了由于學(xué)生立體幾何知識(shí)的欠缺所導(dǎo)致的假探究，又很好地處理了“三線共面”的難點(diǎn)。

（欄目編輯 王柏廬）