對“探究光的反射和折射規(guī)律”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的探索

肖永琴

摘要：根據(jù)初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對光學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，針對八年級物理教材中探究“光的反射規(guī)律”和“光的折射規(guī)律”實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)操作不夠簡便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠直觀等方面不足，通過設(shè)計(jì)一系列自制教具和拓展實(shí)驗(yàn)，提出一些教學(xué)改進(jìn)措施，闡述實(shí)驗(yàn)方法，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：光的反射規(guī)律；光的折射規(guī)律；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

義務(wù)教育初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定“探究光的反射規(guī)律”實(shí)驗(yàn)是20個學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一，要求“通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解光的折射現(xiàn)象及其特點(diǎn)”。我們在2014年福州市物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，對于“探究光的反射規(guī)律”實(shí)驗(yàn)，初中物理教師問卷的數(shù)據(jù)反映僅有27.44%的做了分組實(shí)驗(yàn)，47.74%的做了演示實(shí)驗(yàn)，反饋的主要原因是實(shí)驗(yàn)室沒有足夠的實(shí)驗(yàn)器材，按照課本的實(shí)驗(yàn)裝置效果不是太好，制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。實(shí)驗(yàn)儀器的配備和改進(jìn)對物理教學(xué)起了至關(guān)重要的作用，下面將利用我們自制的一些實(shí)驗(yàn)器材，來闡述對探究光的反射和折射規(guī)律實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的教學(xué)改進(jìn)。

1教材實(shí)驗(yàn)回顧與教學(xué)實(shí)施的困惑

如圖1所示是滬科版八年級物理教科書給的探究光的反射規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)所需器材有光源、平面鏡、可折轉(zhuǎn)的光屏、鐵架臺。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)有以下問題不好解決：（1）光屏與平面鏡垂直不好調(diào)、不穩(wěn)定；（2）入射光線角度不方便調(diào)整，垂直入射不好操作：（3）入射角和反射角的角度需要用量角器測量，操作不方便、也不準(zhǔn)確；（4）探究三線共面實(shí)驗(yàn)時，可折光屏由于反射光線沒有可對比，不夠直觀，學(xué)生不易理解三線共面；（5）由于鏡面無法旋轉(zhuǎn)，改變?nèi)肷浣侵挥懈淖內(nèi)肷涔饩€一種方法，思維發(fā)散不足。在現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)器材中也不能完全解決上述困惑。

2對教材實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

為了解決上述困惑，我們研發(fā)了自制反射儀，如圖2所示。在一塊硬鐵板上貼有360°的可直接讀數(shù)的刻度盤，激光筆和平面鏡用磁鐵可吸在鐵板上任意位置并自由轉(zhuǎn)動，在平面鏡的邊緣固定一根豎直細(xì)鐵線充當(dāng)法線，在鐵板右上角的2/3處開出一個活動小門。

儀器的特點(diǎn)如下：（1）實(shí)驗(yàn)時，利用磁吸現(xiàn)象使各元件固定和移動操作極為方便，在平面上光路清晰可見。（2）可實(shí)現(xiàn)兩種方法任意改變?nèi)肷浣堑拇笮。阂皇晴R面不動，改變?nèi)肷涔饩€的方向：二是入射光線不動，鏡面轉(zhuǎn)動而改變?nèi)肷浣堑拇笮。ㄈ鐖D3）。用相對變化的思想，增進(jìn)了學(xué)生對入射角變化的理解，使實(shí)驗(yàn)的開放度更大，有利于學(xué)生思維發(fā)散和進(jìn)一步深入探究。（3）細(xì)鐵線將法線可視化，還可隨著鏡面轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，更加直觀形象地解決學(xué)生想象力不足的問題。這兩點(diǎn)改進(jìn)特別是對學(xué)生解決如“鏡面轉(zhuǎn)過θ角，入射光線與反射光線的夾角改變了多少”等較復(fù)雜問題，可以自己通過實(shí)驗(yàn)探究，使復(fù)雜問題變得直觀和簡單化。（4）如圖2所示，活動小門開在鐵板右上角的2/3處，好處是可以讓反射光線的一部分仍留在鐵板平面上，只是在轉(zhuǎn)動后的活動小門上看不到反射光線，當(dāng)折角回到這個平面時，又可再見到反射光線，通過對比和反證法就能直觀地說明三線共面，解決了實(shí)驗(yàn)的大難題。（5）用另一激光筆（綠光）入射到平面鏡同一點(diǎn)上，當(dāng)綠光逆著第一次的反射光線（紅光）入射時，屏上四條光線變成了兩條光線（如圖4所示），光路的可逆性就不言而喻了。

3對實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)

在探究光的折射規(guī)律時，我們想繼續(xù)用這套器材實(shí)驗(yàn)，但在探究入射光線、法線、折射光線的三線共面時又遇到了困惑。由于折角設(shè)計(jì)在右上角，只可解決光從水中斜射向空氣的情況，無法證明光從空氣斜射入水中時的三線共面，因此我們在自制反射儀的基礎(chǔ)上，做了進(jìn)一步改進(jìn)（如圖5）。將激光筆固定在亞克力板后面的中心軸柄上，小門開成“月牙門”，置于右半邊離中線一定距離處，水箱下用工字架支撐并貼上鐵板，用于光源的放置。中心螺絲是鐵質(zhì)材料，可用于平面鏡的磁吸固定。

改進(jìn)后的升級版儀器特點(diǎn)如下：別出心裁的月牙門小折板，巧妙地解決了在光的反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象中三線共面不直觀的大難題，它既可用于光射到平面鏡發(fā)生反射，也可用于光從空氣中斜射入水，還可以用于從水中斜射向空氣發(fā)生的折射（如圖6）。我們還給水箱配了一個帶小孔的蓋子，當(dāng)分層注入不同的液體，并在液體的上方充人煙霧時，可以同時觀察光在空氣、液體以及不均勻的物質(zhì)等不同介質(zhì)中的傳播實(shí)驗(yàn)（如圖7）。如，我們在水箱里分層注入蜂蜜和水，靜置7-10天，利用分子擴(kuò)散可以得到效果很好的不均勻蜂蜜水，當(dāng)光照射時，可以看到很明顯的偏折光路（如圖8）。比較光在空氣、油和水中傳播的現(xiàn)象，可以說明光的直線傳播是需要條件的，即“同種均勻介質(zhì)”，也可以說明光在不均勻介質(zhì)中會發(fā)生折射現(xiàn)象。這樣一套實(shí)驗(yàn)器材可以做多個實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“器物為用而生，一物多用為簡”。

4實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)從平面走向空間

“法線”的理解，對學(xué)生來說是一個學(xué)習(xí)難點(diǎn)。幾個版本的教材對法線的概念都是直接給出的，如滬科版“過入射點(diǎn)，與物體表面垂直的直線叫做法線（ON）”，人教版“垂直于鏡面的直線ON叫做法線”，但學(xué)生對為什么要引入法線的概念并不清楚，而且對光線的空間感不夠豐富，容易將光的反射、折射只看作是平面上的。隨著我們的進(jìn)一步研究。又對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖9所示。在一個有機(jī)玻璃箱的底部平放一塊平面鏡，其面上垂直放置2-3塊中間插合的有機(jī)玻璃板，在板的中軸處用彩色線畫上，盒內(nèi)的小玻璃罐裝有舞臺表演用的煙餅，實(shí)驗(yàn)時釋放煙霧使光路可見效果好，面板上開些小孔可調(diào)節(jié)煙霧濃度。

在教學(xué)時，先用激光筆入射在一塊有機(jī)板與鏡面交接的中心點(diǎn)O上，可以看到這塊有機(jī)板面的中軸兩側(cè)呈現(xiàn)出入射光線和反射光線，然后用另一激光筆的光射到同一入射點(diǎn)，可以看到另一塊有機(jī)板面的入射光線和反射光線也分居中軸線兩側(cè)，第三塊板也如此，由此光路呈現(xiàn)出一個立體空間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入射光線只要是過O點(diǎn)，總是這根垂直于反射面的中軸線將各平面上的入射光線和反射光線均分兩側(cè)，故這根過O點(diǎn)的中軸線是很有意義的一條線，為了更好地描述光反射時的規(guī)律，物理學(xué)里將這條線定義為法線。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合數(shù)學(xué)的“點(diǎn)、線、面”關(guān)系，利用空間軸線達(dá)到了法線知識的意義建構(gòu)，使學(xué)生對法線的概念和意義有了更深刻的理解。此實(shí)驗(yàn)也為下一步學(xué)生探究“三線兩角”的關(guān)系提供了猜想依據(jù)。

5對課堂生成的學(xué)習(xí)資源進(jìn)一步開發(fā)和拓展

我們鼓勵學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，用心觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不斷發(fā)現(xiàn)問題，并能提出更多、更深入的問題進(jìn)行探究，為此又準(zhǔn)備了兩套實(shí)驗(yàn)器材便于學(xué)生進(jìn)一步地探究和發(fā)現(xiàn)，通過拓展實(shí)驗(yàn)，使他們的探究興趣和探究能力得到進(jìn)一步發(fā)展。

5.1對不同色光的折射能力的深入探究

如圖10所示，是我們自制的“不同色光折射儀”。當(dāng)有同學(xué)提出“不同的色光對光的折射能力是否相同？”疑問時，讓他們用這套器材做進(jìn)一步的探究。在兩個轉(zhuǎn)柄上固定紅、綠兩種色光的激光源，讓同角度的不同色光斜射入水中，觀察折射角的大小，即可說明不同顏色的光折射率不同。這為學(xué)習(xí)下一節(jié)光的色散現(xiàn)象中白光的分解作了很好的鋪墊，同時也能讓他們更深刻地理解了光色散的本質(zhì)就是光的折射。

5.2不同的介質(zhì)對光的折射能力的探究

對提出“不同的介質(zhì)對光的折射能力是否相同？”疑問的同學(xué)，讓他們用控制變量思想，將同角度的入射光斜射入水中、半圓玻璃中，觀察折射角的大小是否相同（如圖11），從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以直觀地說明水和玻璃對光的折射能力是不同的。由此推斷：不同介質(zhì)對光的折射能力不同，這為高中物理進(jìn)一步學(xué)習(xí)折射率打下了良好的基礎(chǔ)。

總之，實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)后使實(shí)驗(yàn)更加直觀、靈動，便于操作，更有利于對光學(xué)規(guī)律的深入探究，對學(xué)生深刻理解光的反射和光的折射規(guī)律的本質(zhì)有較大的幫助，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。而且我們鼓勵質(zhì)疑、鼓勵創(chuàng)新、鼓勵深入探究，創(chuàng)造條件使學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培育落地開花。