自制色光混合儀及光的色散的教學(xué)設(shè)計(jì)

唐秋梅+徐平川+伍建兵+劉端

摘 要：本文以“光的色散”為課例，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景引入新課，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示和學(xué)生活動(dòng)發(fā)現(xiàn)和總結(jié)規(guī)律，使學(xué)生最終可以用科學(xué)的語(yǔ)言對(duì)“光的色散”“色光的混合”“顏料的混合”和“物體的顏色”等問(wèn)題進(jìn)行描述，并用科學(xué)的方法解決實(shí)際問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：色散；色光的混合；教學(xué)設(shè)計(jì)

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（2017）7-0057-4

“光的色散”的教學(xué)內(nèi)容以光的色散現(xiàn)象為基礎(chǔ)，包括“色光的混合”“顏料的混合”和“物體的顏色”等內(nèi)容，以揭示光的顏色和物體的顏色成因之謎。針對(duì)這四個(gè)方面的內(nèi)容，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生活動(dòng)。并用探究色光混合規(guī)律的方法來(lái)探究顏料混合規(guī)律和物體顏色的成因，因此“色光混合”實(shí)驗(yàn)是根本，注意到許多“色光混合”實(shí)驗(yàn)并非利用單色光來(lái)直接混合的，而是采用有色擋光片，與真正的色光混合有很大區(qū)別。我們?cè)O(shè)計(jì)中所采用的“色光混合儀”是利用LED光源直接進(jìn)行光的合成，光的強(qiáng)度可調(diào)，原理簡(jiǎn)單，結(jié)論更為嚴(yán)謹(jǐn)。

1 教材分析與學(xué)情分析

光現(xiàn)象是自然界最基本的現(xiàn)象之一，《光的色散》一節(jié)是在學(xué)習(xí)了光的傳播、光的反射和光的折射的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)習(xí)光的色散的產(chǎn)生條件及其相關(guān)知識(shí)[1]。教材內(nèi)容與生活中的現(xiàn)象聯(lián)系緊密，為體現(xiàn)“從物理走向生活”的新課標(biāo)理念，本課的設(shè)計(jì)是以彩虹的形成原因來(lái)引入新課。用提問(wèn)和實(shí)驗(yàn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)單的問(wèn)題入手，一步步利用實(shí)驗(yàn)自己動(dòng)手探究物理規(guī)律。學(xué)生通過(guò)自己的親生經(jīng)歷，獲得感性認(rèn)識(shí)，從而有助于對(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。進(jìn)而能應(yīng)用物理規(guī)律解決生活中的問(wèn)題。

本節(jié)課所學(xué)的光現(xiàn)象，學(xué)生在生活中已積累了大量的素材，有著豐富的感性認(rèn)識(shí)，只是缺乏科學(xué)的觀察和思考，物理聯(lián)系生活的意識(shí)還比較淡薄[2]。本節(jié)課的教學(xué)，除了要求學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)外，還要求學(xué)生要在動(dòng)腦的同時(shí)動(dòng)手學(xué)習(xí)物理知識(shí)，積極主動(dòng)地加入到教學(xué)活動(dòng)中。

2 教學(xué)目標(biāo)分析

通過(guò)圖片、視頻、分組實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)了解光的色散現(xiàn)象和色光混合的探究實(shí)驗(yàn)；通過(guò)對(duì)白光的色散實(shí)驗(yàn)，知道白光是由七色光組成的。通過(guò)視頻與自制實(shí)驗(yàn)教具的演示，知道光的三原色，并能夠區(qū)別色光的三原色與顏料的三原色；初步了解透明物體與不透明物體的顏色的成因。為了突出重點(diǎn)，突破本課的難點(diǎn)：光的色散及色光混合的規(guī)律。通過(guò)“尋找彩虹”的白光分解實(shí)驗(yàn)，自制教具的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷白光分解為彩光以及色光混合的實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象探索物理本質(zhì)的能力；通過(guò)“色光的混合”和“顏料的混合”的比較培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、團(tuán)隊(duì)合作能力，初步運(yùn)用對(duì)比法來(lái)研究物理問(wèn)題；經(jīng)歷探究透明和不透明物體的顏色的形成原因與過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力、觀察分析能力與邏輯思維能力；通過(guò)課后收集和交流紅外線和紫外線的相關(guān)信息，從而積累信息收集和處理的方法。

通過(guò)“白光的分解”實(shí)驗(yàn)與“物體顏色成因”實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究顏色之謎的興趣，使學(xué)生領(lǐng)略色彩世界的絢麗多彩，體會(huì)到熱愛(ài)自然、親近自然的美好情感。通過(guò)對(duì)手機(jī)、彩電、電腦屏幕顯示色彩的探究過(guò)程，體會(huì)物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用，感受物理的魅力與學(xué)習(xí)物理的作用。

3 教學(xué)用具選用及色光混合儀的制作

在光的色散實(shí)驗(yàn)中所用的白光為L(zhǎng)ED手電筒，此光源白色純正，好于略帶紅色的普通手電筒所發(fā)之光。如圖1所示，為了制作“色光混合儀”，分別采用紅、藍(lán)、綠三色LED燈作為色光合成的光源，分別再截取三段金屬管來(lái)散光和集光，電壓可調(diào)的電源可以調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，通過(guò)數(shù)字激光機(jī)床切割一支架來(lái)支撐帶有光源的金屬管。其他所用教學(xué)用具有三棱鏡、白紙所糊的白屏，還有顏料和顏料盤(pán)用于探究顏料的混合規(guī)律，另外還有平面鏡、水盆、紅綠藍(lán)三色及無(wú)色玻璃、紅綠藍(lán)三色紙板等器材。

1- 鋼管；2、11- 白屏；3- LED燈開(kāi)關(guān)；4- 紅、綠、藍(lán)三色LED燈；5-電壓、電流顯示屏；6-電壓/電流調(diào)節(jié)旋鈕；7-可調(diào)電源開(kāi)關(guān)；8-手電筒；9-平面鏡；10-紅、綠、藍(lán)、無(wú)色玻璃；12-紅、綠、藍(lán)、白色紙板；13-顏料盤(pán)；14-紅、黃、藍(lán)顏料；15-畫(huà)筆；16-三棱鏡；17-水盆；

4 基于色光混合儀及學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程

該設(shè)計(jì)以講授法、演示法和總結(jié)歸納等教學(xué)方法為主要的教學(xué)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)四個(gè)學(xué)生活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生自主探究光的色散、色光混合、顏料的混合和物體顏色成因等現(xiàn)象和規(guī)律，通過(guò)設(shè)置問(wèn)題情景引導(dǎo)學(xué)生積極思考，總結(jié)歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)核心素養(yǎng)。

4.1 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引入新課

教師出示彩虹的幻燈片，引發(fā)學(xué)生關(guān)于彩虹的形成原因的思考，將學(xué)生帶到女?huà)z煉五彩石補(bǔ)天的神話故事中，感悟世界的美好。接著提問(wèn)：“彩虹到底是怎么形成的呢？”學(xué)生通過(guò)觀察圖片、思考、討論交流關(guān)于彩虹形成的原因。然后教師通過(guò)講述關(guān)于彩虹形成的神話故事，引導(dǎo)學(xué)生思考彩虹形成的真正原因，帶著問(wèn)題進(jìn)入新課。

以上設(shè)計(jì)通過(guò)生活中的自然現(xiàn)象引入新課，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，激發(fā)興趣，引發(fā)學(xué)生思考彩虹的形成原因。

4.2 實(shí)驗(yàn)觀察光的色散現(xiàn)象，分析白光的組成

教師通過(guò)介紹“牛頓讓太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡得到彩色條紋”的著名故事，使人們認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)光并不是最簡(jiǎn)單的顏色，接著出示三棱鏡讓學(xué)生觀察它的特點(diǎn)，讓學(xué)生思考白光是如何變成彩色條紋的。

教師提供包括三棱鏡、手電筒和水盆等器材，設(shè)計(jì)如下學(xué)生活動(dòng)1引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)嘗試尋找讓白光變成彩色條件的方法。

活動(dòng)1：光的色散實(shí)驗(yàn)

方案1：讓日光燈燈光通過(guò)三棱鏡，便可以觀察到彩色的條紋。

方案2：將電筒打開(kāi)，讓學(xué)生清楚地看到電筒發(fā)出了白光，將電筒的光通過(guò)三棱鏡，調(diào)整角度，使得學(xué)生在墻上清晰地看到類(lèi)似于彩虹的條紋。

方案3：將平面鏡以一定的角度放入裝有水的盆中，讓電筒光以近乎平行于水面的角度照射到水下面的平面鏡上，用白屏承接折射、反射后的電筒光，也可以看到類(lèi)似于彩虹的條紋。

教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展以上的學(xué)生活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)并找出可把白光變成彩色條紋的方法，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。根?jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的彩色條紋，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出彩色條紋是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫多種顏色并按順序排列的，從而得出總論：白光穿過(guò)三棱鏡（水和平面鏡）后，被分解成了各種顏色的光，從而建立“光的色散”概念[4]。

4.3 色光的混合的實(shí)驗(yàn)研究

教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：太陽(yáng)光可以分解為七色光，由光路可逆思想猜想七色光的混合會(huì)不會(huì)得到白色的光？鼓勵(lì)學(xué)生課后利用圖2的光路圖實(shí)現(xiàn)七色光合成為白光的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維方法和利用實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的能力，加深對(duì)光路可逆的認(rèn)識(shí)。

基于以上的認(rèn)識(shí)，教師設(shè)問(wèn)：如果只選取7種色光中的2種色光混合，將會(huì)得到什么顏色的光？如果是3種色光混合，情況又會(huì)是怎么樣的？

4.3.1 色光的混合

教師根據(jù)自制的“色光混合儀”（圖1），與學(xué)生一起演示并觀察2種或3種色光混合的結(jié)果；通過(guò)介紹色光混合儀的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)原理，培養(yǎng)學(xué)生自制教具的意識(shí)和在生活中挖掘教學(xué)資源的本領(lǐng)。

活動(dòng)2：色光混合實(shí)驗(yàn)

方案1：老師利用自制色光混合儀、白屏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究不同的色光以不同的方式組合，可以得到什么顏色的光。并指導(dǎo)學(xué)生完成表格1。接著提問(wèn)：通過(guò)更改電源電壓，可以改變色光的深淺，那混合后的顏色會(huì)不會(huì)變化呢？學(xué)生仔細(xì)觀察混合后的顏色，在教師的引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄。

方案2：教師通過(guò)在電腦上演示紅、綠、藍(lán)三色光混合的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證方案1結(jié)果的正確性。

通過(guò)上面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，教師提問(wèn)：細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)，我們一直在用紅、綠、藍(lán)三種顏色的光混合探究，這是為什么呢？ 學(xué)生在教師的引導(dǎo)下分析歸納得出三原色的概念：紅、綠、藍(lán)三種顏色的光按不同的比例混合，可以產(chǎn)生各種顏色的光，而自身卻不能被其他顏色的光混合得到。然后教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，解釋電腦、手機(jī)、彩電屏幕等的色彩成因，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力和“從物理走向生活”的理念。

在以上的教學(xué)過(guò)程中，教師創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理學(xué)習(xí)環(huán)境，以實(shí)驗(yàn)牢牢抓住學(xué)生的好奇心，一步一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察和思考，將抽象的物理現(xiàn)象直觀地展示出來(lái)。幫助學(xué)生快速、形象地理解物理規(guī)律。

4.3.2 顏料的混合

教師提示學(xué)生：自然界的顏色有光的顏色，有物體和顏料的色彩，因此有必要研究顏料的混合。教師給學(xué)生提供紅、黃、藍(lán)三種顏料，讓學(xué)生自主探究混合的規(guī)律。

活動(dòng)3：顏料混合實(shí)驗(yàn)

教師提問(wèn)：同學(xué)們你們會(huì)畫(huà)畫(huà)嗎？在繪畫(huà)過(guò)程中能用紅、黃、藍(lán)三種顏料配色，請(qǐng)同學(xué)利用提供的顏料動(dòng)手探究紅、黃、藍(lán)顏料的混合能得到什么顏色？學(xué)生利用所提供的實(shí)驗(yàn)用品分組實(shí)驗(yàn)。根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，教師提問(wèn)：為什么顏料的混合與色光的混合規(guī)律不一樣呢？引導(dǎo)學(xué)生思考顏料的色彩與色光的顏色的不同，并總結(jié)出：顏料的三原色為紅、黃、藍(lán)三種顏料。最后引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際、解釋顏料的混合與色光混合現(xiàn)象的不同。

顏料的混合實(shí)驗(yàn)研究為物體顏色的成因做鋪墊，讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用類(lèi)比的方法，通過(guò)由熟悉的事物認(rèn)識(shí)不熟悉的新事物。通過(guò)親身的感悟、體驗(yàn)，探究顏料、色光混合的規(guī)律并分析它們的不同。實(shí)驗(yàn)過(guò)程用顏料來(lái)配色，活躍了課堂氣氛，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，從而提高學(xué)習(xí)興趣。

4.4 物體顏色成因的探究

教師設(shè)問(wèn)：物體和顏料均是本身并不發(fā)光的，其顏色是由什么因素決定的呢？請(qǐng)同學(xué)們觀察視頻http：//www.tudou.com/programs/view/J4nGPser39w/，引導(dǎo)學(xué)生思考物體顏色的決定因素。學(xué)生通過(guò)視頻直觀地看到現(xiàn)象，從而思考、分析現(xiàn)象形成的原因。

教師提供無(wú)色、紅、綠、藍(lán)各種玻璃以及白、紅、綠、藍(lán)各色紙板等器材，引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，完成表2。接著再次設(shè)問(wèn)：光照到透明物體和不透明物體上會(huì)有什么不同？學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，記錄結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行剖析，并且總結(jié)歸納：透明物體的顏色由透過(guò)它的色光決定，不透明物體的顏色由它反射的色光決定。通過(guò)（下轉(zhuǎn)第63頁(yè)）（上接第59頁(yè)）分組實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)會(huì)利用生活中的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，體會(huì)物理學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，拉近物理與生活的距離。

5 總結(jié)現(xiàn)象規(guī)律，反思教學(xué)問(wèn)題

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出本節(jié)的核心知識(shí)，包括光的色散現(xiàn)象：白光被三棱鏡分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫多種顏色的光的現(xiàn)象；色光的三原色：通過(guò)紅、綠、藍(lán)三原色的不同強(qiáng)度比例配合得到某種顏色的光；顏料的三原色：紅、黃、藍(lán)三種顏料按不同比例可配成其他顏色的顏料；物體顏色的成因：透明物體的顏色由透過(guò)它的光的顏色決定，不透明物體的顏色由它反射的光決定。最后布置課外學(xué)習(xí)任務(wù)“了解紅外線、紫外線等看不見(jiàn)的光在生活中的應(yīng)用，光的色散在生活中應(yīng)用，完成課后練習(xí)”，鞏固所學(xué)知識(shí)，積累信息收集和處理的方法。

編者按：期望作進(jìn)一步探索的讀者，可以閱讀有關(guān)專(zhuān)著，例如文獻(xiàn)[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊春花. “光的色散”的自主探究教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 物理教學(xué)探討，2007，25（5）：14-16.

[2]李彩虹. “光的色散”教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2008，37（11）：57-60.

[3]Kurt Nassav.The Physics and Chemistry of color.AWiley-Interscience Publication John Wiley & Sons，1983.

（欄目編輯 王柏廬）