《光的全反射》探究式教學(xué)設(shè)計

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(西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院)

一、教材分析

(一)教材內(nèi)容的地位和作用

《光的全反射》是教育科學(xué)出版社高中物理選修3～4第四章第3節(jié)的內(nèi)容.

從內(nèi)容上來看，本節(jié)內(nèi)容是學(xué)生在學(xué)習(xí)光的反射與折射后又一種新的光學(xué)現(xiàn)象，本節(jié)內(nèi)容主要研究的是光的全反射現(xiàn)象、全反射產(chǎn)生的條件、臨界角以及全反射的應(yīng)用.

從教材編寫的角度來說，教材先介紹光疏、光密介質(zhì)，再根據(jù)觀察思考的實驗得出全反射的現(xiàn)象以及全反射產(chǎn)生的條件，運用折射定律推導(dǎo)臨界角與折射率的關(guān)系，最后簡單介紹光纖原理.

從情感上來說，本節(jié)內(nèi)容理論與實驗聯(lián)系十分緊密，充分體現(xiàn)了科學(xué)探究的課程理念.

(二)教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)，確定如下三維目標(biāo)：

1.知識與技能目標(biāo)

(1)認識光的全反射現(xiàn)象并理解光的全反射條件；

(2)理解臨界角的概念并能計算臨界角；

(3)了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光纖在生活中的應(yīng)用.

2.過程與方法目標(biāo)

(1)通過參與科學(xué)探究活動，觀察光的全反射現(xiàn)象，得到光的全反射條件，從而培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、歸納概括能力；

(2)通過學(xué)生分組實驗，培養(yǎng)學(xué)生團隊合作、交流討論的能力.

3.情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)

引導(dǎo)學(xué)生加深臨界現(xiàn)象中量變引起質(zhì)變的認知，從中領(lǐng)略物理之美，樹立物理知識在實際生活中的蘊涵理念.

二、學(xué)情分析

(一)知識層面

通過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了光的反射定律和折射定律以及基本平面幾何知識.

(二)能力層面

經(jīng)過之前的學(xué)習(xí)，具有一定的抽象思維和分析概括能力，能基本實現(xiàn)由現(xiàn)象到規(guī)律的歸納總結(jié)，但是部分學(xué)生的抽象思維和空間想象能力還比較低，對臨界的概念還比較模糊.

(三)心理層面

1.重點難點

確定依據(jù)：全反射現(xiàn)象在生活中十分廣泛，但學(xué)生卻不易察覺，因此，認識光的全反射現(xiàn)象以及全反射產(chǎn)生的條件是本節(jié)課的教學(xué)重點，而臨界角的理解以及解釋生活中的全反射現(xiàn)象是本節(jié)課的教學(xué)難點.

教學(xué)重點：通過對實驗的觀察認識全反射現(xiàn)象以及探究全反射產(chǎn)生的條件.

教學(xué)難點：臨界角的理解以及解釋生活中的全反射現(xiàn)象.

2.教法學(xué)法

教法：以演示實驗為主，觀察法為輔，結(jié)合講授法.

學(xué)法：探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí).

3.教學(xué)資源

自制光控音響、光導(dǎo)纖維、自制全反射水槽、激光筆、自制光的全反射演示儀、多媒體.

4.教學(xué)過程

(1)創(chuàng)設(shè)情境，引入新課。教師活動，演示光控音響，如圖1。簡單介紹光控音響的原理，將透明塑料管子一端連接光控開關(guān)，另一端連接激光筆，打開激光筆，音響發(fā)聲，引導(dǎo)學(xué)生思考為何管子可以導(dǎo)光？演示激光舞動，如圖2：激光筆垂直水槽入射，水槽中的光線呈直線，逐漸傾斜激光筆，水槽中的光線變?yōu)槊利惖恼劬€，引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考為何水槽中的光線可以變?yōu)槊利惖恼劬€？

學(xué)生活動：觀察演示實驗現(xiàn)象，思考教師所提問題.

設(shè)計意圖：通過演示實驗引起學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲以及學(xué)習(xí)熱情，活躍課堂氣氛與學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的興趣.

(2)復(fù)習(xí)舊知，建構(gòu)新知

光密介質(zhì)與光疏介質(zhì).教師活動：引導(dǎo)學(xué)生回顧光的折射定律，從折射率的角度建立“光密介質(zhì)”與“光疏介質(zhì)”的概念.給出幾種介質(zhì)的折射率，如圖3.提問學(xué)生水是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？引導(dǎo)學(xué)生思考，水相對空氣是光密介質(zhì)，相對于金剛石屬于光疏介質(zhì)，以此說明光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)是相對的.

實驗探究活動一：探究光的全反射現(xiàn)象.

教師活動：簡單介紹自制教具——光的全反射演示儀，如圖4：運用演示儀演示將光從光密介質(zhì)(水)射入到光疏介質(zhì)(空氣)，逐漸增大入射角，引導(dǎo)學(xué)生觀察在此過程中折射角如何變化、反射光線以及折射光線的強度又會如何變化？

學(xué)生活動：仔細觀察實驗現(xiàn)象并認真思考老師提出的問題.

教師活動：引導(dǎo)學(xué)生認真分析實驗現(xiàn)象，如圖5：總結(jié)歸納，得出實驗結(jié)論.

設(shè)計意圖：通過觀察并分析實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、總結(jié)歸納的能力.

(3)理論探究：探究全發(fā)射的條件

教師活動：提問如果光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)，是否也能發(fā)生全反射現(xiàn)象呢？引導(dǎo)學(xué)生進行理論分析.

學(xué)生活動：理論分析并進行分組討論.

教師活動：歸納得出，由于光從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)時，入射角是大于折射角，所以入射角會先達到90°，在入射角從0°到90°的過程中，折射光線不消失.

設(shè)計意圖：通過理論探究，培養(yǎng)學(xué)生理論分析能力，通過小組討論，培養(yǎng)學(xué)生溝通交流的能力.

(4)學(xué)生分組實驗：探究全發(fā)射產(chǎn)生的第一個條件

教師活動：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計驗證實驗，讓學(xué)生根據(jù)實驗設(shè)計，各小組分工合作進行實驗操作，小組成員共同觀察實驗現(xiàn)象，討論并得出實驗結(jié)論.實驗過程中針對各小組出現(xiàn)的問題進行指導(dǎo).

學(xué)生活動：小組分工合作，完成驗證實驗，將光從光疏介質(zhì)(空氣)射入光密介質(zhì)(水)，逐漸增大入射角，觀察折射角和折射光線的變化，自己動手進行實驗操作，得到發(fā)生全反射現(xiàn)象的第一個條件：光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì).

設(shè)計意圖：學(xué)生分組實驗，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作、共享資源、觀察總結(jié)的科學(xué)素質(zhì).

實驗探究二：探究全反射產(chǎn)生的第二個條件

教師活動：教師提問光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)一定能發(fā)生全反射嗎？演示光由水射入空氣，發(fā)現(xiàn)并沒有發(fā)生全反射，逐漸增大入射角，增大到某一角度，折射光線消失，發(fā)生了全反射，從而得出發(fā)生全反射的第二個條件.

學(xué)生活動：認真思考教師所提問題，仔細觀察實驗現(xiàn)象，在老師引導(dǎo)下總結(jié)得出全反射產(chǎn)生的條件之二：入射角必須等于或大于某一角度.

設(shè)計意圖：通過演示實驗，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析的能力.

5.歸納總結(jié)

教師活動：根據(jù)之前的演示實驗與分組實驗，引導(dǎo)學(xué)生一起總結(jié)產(chǎn)生全反射的條件，得出臨界角的概念，引導(dǎo)學(xué)生運用光的折射定律理論推導(dǎo)出臨界角的計算公式.

學(xué)生活動：結(jié)合光的折射定律尋找臨界角與折射率的關(guān)系，根據(jù)已學(xué)知識進行公式推導(dǎo).

設(shè)計意圖：通過公式推導(dǎo)過程，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力，加深學(xué)生對臨界角以及臨界角計算公式的理解.培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識解決問題的能力.

(三)學(xué)以致用，鞏固新知

1.揭秘激光舞動

教師活動：簡單介紹全反射水槽制作原理，引導(dǎo)學(xué)生思考激光筆垂直于水槽入射時以及激光筆逐漸傾斜時入射角的變化，運用多媒體展示水槽中的光路圖，如圖5：從而揭示極光舞動的奧妙.

設(shè)計意圖：解釋課前極光舞動的原理，體現(xiàn)課堂完整性.

2.介紹光導(dǎo)纖維

教師活動：以多媒體課件展示光纖以及光纖的結(jié)構(gòu)，如圖6：運用所學(xué)的知識解釋光纖的原理，加強學(xué)生對全反射知識的應(yīng)用.

學(xué)生活動：觀察課件展示的圖片，了解、認識光纖的結(jié)構(gòu)以及光纖在現(xiàn)實生活中的主要應(yīng)用，理解光導(dǎo)纖維的原理.

設(shè)計意圖：讓學(xué)生了解光的全反射在生活中的應(yīng)用，感受物理的實用性，提高學(xué)生對物理的興趣.

三、設(shè)計反思

本節(jié)課通過自制水槽、光控音響的演示實驗引入新課，使學(xué)生獲得更多的感性認識，激發(fā)學(xué)生好奇心與學(xué)習(xí)熱情.為了使學(xué)生能夠容易理解并掌握全反射以及全反射條件，本著“學(xué)生為主”的思想，借助自制教具通過探究實驗以及學(xué)生分組實驗，引導(dǎo)學(xué)生以探索者、研究者的身份投入學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生主動參與教學(xué)全過程，極大地激發(fā)并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.學(xué)生通過自主探究、合作學(xué)習(xí)，體驗物理規(guī)律的認知過程，在獲取知識的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生團隊協(xié)作、理論推導(dǎo)、分析問題、解決問題以及科學(xué)探究的能力.

本節(jié)課的設(shè)計注重提供學(xué)生獲取知識的方法，突出新知識的形成過程，讓學(xué)生在掌握知識的同時通過實驗探究弄懂知識的來龍去脈，把握科學(xué)知識的內(nèi)在聯(lián)系，有效地提高學(xué)習(xí)效率.

[1]徐慧.以問激疑，由疑啟思[J].物理教學(xué)，2017，(2)：18.

[2]催學(xué)文.“光的全反射”教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，(4).

[3]陸俊杰.“全反射”教學(xué)設(shè)計與教案[J].物理教師，2001，(11)：11.

基金項目：西華師范大學(xué)英才基金項目，項目編號：17YC502。