如何上好初中物理“光的折射”一課*

唐建華

(蘇州陽山實(shí)驗(yàn)中學(xué)校 江蘇 蘇州 215151)

初中物理“光的折射”在整個(gè)光學(xué)中的地位非常重要，是以后學(xué)習(xí)透鏡、凸透鏡成像規(guī)律的基礎(chǔ)，也是高中光學(xué)的基礎(chǔ).但目前初中幾個(gè)版本的光的折射教學(xué)限于實(shí)驗(yàn)的原因，只能探究光在空氣和水(或玻璃)間的折射，教學(xué)停留于對光的折射現(xiàn)象的呈現(xiàn)和描述[1]，只能得出僅限于這些介質(zhì)間的經(jīng)驗(yàn)型的規(guī)律，這與高中光的折射教學(xué)是相脫節(jié)的.本文具體探討產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與解決方法.

1 分析當(dāng)前幾種教材中的“光的折射”

蘇科版八年級物理教材中，先通過引入光從空氣斜射入水中，讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)光的折射現(xiàn)象，然后運(yùn)用玻璃磚探究光的折射特點(diǎn)，具體是將玻璃磚壓在光屏上，讓光從空氣斜射入玻璃磚，學(xué)生將最初的入射光和最后從玻璃射出的折射光描出.然后就總結(jié)光的折射規(guī)律：“當(dāng)光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)；入射角增大(或減小)時(shí)，折射角也隨之增大(或減小).光垂直于介質(zhì)表面入射時(shí)，折射角等于零.當(dāng)光從空氣斜射入水(或玻璃)中時(shí)，折射光線偏向于法線方向，即折射角小于入射角；當(dāng)光從水(或玻璃)斜射入空氣時(shí)，折射光線偏離法線，即折射角大于入射角.” 這么長的結(jié)論，只是對光在空氣和水、光在空氣和玻璃間的折射現(xiàn)象的表述，增加學(xué)生記憶的負(fù)擔(dān)，不利于物理核心素養(yǎng)的提升.

人教版教材中，處理方式和蘇科版大同小異，只是結(jié)論表達(dá)略有不同：“光從空氣斜射入水或者其他介質(zhì)時(shí)，折射光線向法線方向偏向.”其他部分基本相同.這樣的表述是基于空氣的折射率很小，接近1，其余介質(zhì)的光的折射率都是大于空氣的.結(jié)論雖更深入，但教材只探究了光在空氣和水以及光在空氣和玻璃中的折射，就下此結(jié)論，還是缺少說服力，不利于學(xué)生批判思維的培養(yǎng).同時(shí)，若光從空氣到真空，該結(jié)論就不適用.

2 造成該現(xiàn)象的原因——實(shí)驗(yàn)限制

造成該現(xiàn)象的原因是歷史條件下的實(shí)驗(yàn)器材限制，缺少利于實(shí)驗(yàn)的激光源，缺少方便探究的實(shí)驗(yàn)介質(zhì).顯示光路一般有兩種方法：一是背景法，即是讓光沿著光屏照射，可以從光屏上明顯看到光路，如探究光從空氣射向水時(shí)，向水中插入一個(gè)光屏，從光屏上可以看到光路；二是散射呈現(xiàn)法，即在光的傳播路徑上撒些微粒，當(dāng)光照在上面時(shí)會(huì)有漫反射，這樣從各個(gè)方向都能看到光路[2].現(xiàn)行初中教材中“光的折射”只探究光在空氣和水、空氣和玻璃中的折射，不探究水和玻璃以及其他介質(zhì)之間的折射.筆者認(rèn)為有以下原因：

(1)水和玻璃間的折射實(shí)驗(yàn)難做.水和玻璃間的折射現(xiàn)象難以呈現(xiàn)，光路難以顯示.水中可以加入牛奶等物質(zhì)來顯示光路，但玻璃中的光路難以顯示，玻璃是固體，很難在其中加入其他顆粒，所以散射法不容易呈現(xiàn)，若在玻璃后面貼一個(gè)光屏，雖然能得到光路，但很難給學(xué)生講清楚，這個(gè)光路是不是玻璃中的光路.

(2)水和玻璃間的折射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯.光在普通玻璃中的折射率約為1.5，水的折射率是1.33，兩者相差不大，光從水射向玻璃時(shí)，偏折角度不大，特別是入射角較小時(shí)，學(xué)生不易看到折射現(xiàn)象.

(3)其他透明介質(zhì)如水和食用油間的折射理論上是可以做的.水和食用油混合后，兩者不能相互融合，油的密度較小，所以在水的上方.食用油的折射率約是1.5，水的折射率1.33，兩者的折射率不同，會(huì)出現(xiàn)折射現(xiàn)象.但通常不會(huì)做，因?yàn)槭秤糜捅容^貴，我們不可能將很多食用油倒進(jìn)水槽中做實(shí)驗(yàn)，太浪費(fèi)了.

3 解決過程——實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)

解決問題1:如何在玻璃中顯示光路.玻璃是透明的介質(zhì)，如何讓光從里面透過時(shí)把光路顯示出來.筆者經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般的激光筆射入玻璃時(shí)，很難看到光路.聯(lián)想到晚上城市寫字樓上的激光射燈，會(huì)看到一個(gè)很明顯的光路，而到了白天，則沒有了，因?yàn)榘滋旒词拱l(fā)出激光，人們也看不到，白天外界環(huán)境太亮了.所以筆者網(wǎng)購了功率更大的激光筆，使之發(fā)出更亮的激光射入玻璃中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在暗室中可以看到明顯的光路.分析原因是玻璃中也有些雜質(zhì)，正是這些雜質(zhì)對光的漫反射，使我們看到了光路.為了增加可視度，筆者請專門的師傅制作了長25 cm，寬10 cm，厚1 cm的玻璃，同時(shí)玻璃的邊緣是不能打毛的，因?yàn)槿舸蛎?，則光透過去后由于分界面不平，出現(xiàn)很多折射光，影響實(shí)驗(yàn)效果.

解決問題2:水和玻璃中的折射現(xiàn)象不明顯，兩者的折射率相差不大.筆者先用軟件模擬了水和玻璃中光的折射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)入射角較小時(shí)，折射角也較小，入射角和反射角相差不大，若不斷增加入射角，折射角也增大，同時(shí)入射角和折射角之間的差值就越大，此時(shí)實(shí)驗(yàn)效果就很明顯.具體如圖1所示.

但實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師一般是在容器中裝水，將激光筆從容器上方空氣中斜射向水的，要使光從水射向玻璃時(shí)的入射角很大，實(shí)際很難，軟件模擬發(fā)現(xiàn)即使從空氣射向水時(shí)的入射角接近于90°，折射角最多也只接近49°，然后再以49°的入射角從水斜射入玻璃，軟件模擬發(fā)現(xiàn)折射角也只有42°，這樣玻璃和水間的折射現(xiàn)象很不明顯，水和玻璃的折射就不易被學(xué)生發(fā)現(xiàn).解決方法是將激光從容器的側(cè)面照進(jìn)水中，由于側(cè)面照射時(shí)，容器側(cè)壁是厚度相同的介質(zhì)，對光的方向改變幾乎可以忽略不計(jì)，所以只要考慮光從空氣到水的折射就可以了.由于入射角較小，折射角也很小，且兩者的差值也很小，幾乎不容易看出折射現(xiàn)象.此時(shí)光再從水射向玻璃時(shí)，入射角度就很大，折射現(xiàn)象就非常明顯了.具體如圖2所示.

圖1 軟件模擬水和玻璃中光的折射實(shí)驗(yàn)效果

圖2 軟件模擬光從水射向玻璃時(shí)的折射現(xiàn)象

解決問題3:探究水和食用油之間光的折射現(xiàn)象.生活中由于食用油比較貴，教師不可能用水槽來先裝水再裝食用油來實(shí)驗(yàn).但由于光折射時(shí)，折射光線、入射光線和法線在同一平面，所以，可以減小容器的厚度，來減小裝油的質(zhì)量，同時(shí)減小實(shí)驗(yàn)器材的重量.

綜合以上幾點(diǎn)，筆者網(wǎng)購了透明亞克力板等材料自制了寬27 cm，高23 cm，厚2.5 cm的容器，其中容器正面的兩個(gè)大板的厚度是0.5 cm的亞克力板，其他側(cè)板都是用1.5 cm的亞克力板材，既是容器的側(cè)面，又能起支持作用，使整個(gè)容器結(jié)構(gòu)更牢固.同時(shí)側(cè)面的透明板材還能透光，這樣容器中裝厚玻璃和水時(shí)，光可以從側(cè)面斜射入水，然后進(jìn)入玻璃，發(fā)生明顯的折射現(xiàn)象.如圖3和圖4所示是光從水斜射入玻璃的折射現(xiàn)象以及光在食用油和水之間的折射現(xiàn)象.

圖3 光從水斜射入玻璃的折射現(xiàn)象

圖4 光在食用油和水之間的折射現(xiàn)象

4 課堂設(shè)計(jì)

4.1 情境引入 激發(fā)興趣

教師演示實(shí)驗(yàn)：用實(shí)物投影對著紙杯，將一枚硬幣放在紙杯底部固定位置，慢慢移動(dòng)紙杯，使學(xué)生剛好看不到紙杯中的硬幣，然后教師緩緩地向紙杯倒入水，提問：你看到什么現(xiàn)象？

將這個(gè)原來只能由一個(gè)觀察點(diǎn)觀察的現(xiàn)象通過實(shí)物投影實(shí)時(shí)給全班學(xué)生觀看，增加了實(shí)驗(yàn)的可信度，激發(fā)全班學(xué)生探究的熱情.

4.2 建立模型 提出概念

原本看不見的硬幣，在加水后被我們看見，究竟光從水到空氣間的傳播遵循什么規(guī)律呢？教師演示實(shí)驗(yàn)：在盛有半水缸的水中加入數(shù)滴牛奶，將水缸上方用點(diǎn)燃的蚊香薰起少許煙霧，水缸上用玻璃蓋住，用激光筆從空氣斜射照入水中.

學(xué)生根據(jù)看到的現(xiàn)象，把光路模型表達(dá)出來.教師對比光的反射現(xiàn)象，介紹入射光線、法線、折射光線、入射角、折射角等概念.

通過對比的方法，學(xué)生很容易建立起光的折射概念，同時(shí)有意識(shí)地去思考光的折射與光的反射的不同點(diǎn)和相同點(diǎn).

4.3 科學(xué)探究 追根溯源

提出問題：光的折射遵循什么規(guī)律呢？需要什么器材？如何探究呢？

教師演示實(shí)驗(yàn)：用一個(gè)可沿著法線對折的光屏插入水中，將激光筆的激光沿著光屏照入水中.將入射光線垂直水面照射，觀察折射情況；增大入射光線與法線的夾角，觀察折射情況；將光屏沿著法線向后折，再觀察折射情況；將另一只激光筆從玻璃水缸的底部逆著上方的光線從水照入空氣，觀察折射光線和原來的入射光線間的關(guān)系.

學(xué)生總結(jié)，光在空氣和水間的折射規(guī)律.

教師拋出問題：光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)有何不同的地方？引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同.然后再給學(xué)生出示光在幾種透明介質(zhì)中具體的傳播速度，如表1所示.同時(shí)再提出問題,光可以在透明的空氣和水中發(fā)生折射，那么能否在其他透明的介質(zhì)間發(fā)生折射呢？其折射過程和光速有什么關(guān)系呢？

表1 光在不同介質(zhì)中的傳播速度

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：探究光從空氣斜射入玻璃磚的折射規(guī)律.將玻璃磚壓在白紙上，用激光筆從空氣沿著白紙斜射入玻璃磚，然后用筆在白紙上入射光線的位置標(biāo)注兩點(diǎn)，最后從玻璃中射出的光線上標(biāo)注兩點(diǎn)，確定入射光線和從玻璃中射出的光線，根據(jù)這兩條光線再確定玻璃中的光線,如圖5所示.

學(xué)生小組交流，尋找規(guī)律：光在空氣和水、空氣和玻璃間的折射可能與光速的關(guān)系，當(dāng)光從速度較快的介質(zhì)到速度慢的介質(zhì)時(shí)，折射光線偏向法線.

教師提問：光從水中斜射入玻璃時(shí)，光會(huì)如何傳播？

學(xué)生：光在水中比在玻璃中的傳播速度快，折射光線可能會(huì)偏向法線.

圖5 玻璃中光線確定示意圖

教師演示光從水到玻璃中的折射現(xiàn)象，驗(yàn)證學(xué)生的猜想.

教師提問：光從食用油中斜射入水中時(shí)，光會(huì)如何傳播？

學(xué)生：光在食用油中比水中的傳播速度慢，折射光線可能會(huì)偏離法線.

教師演示光從食用油到水中的折射現(xiàn)象，驗(yàn)證學(xué)生的猜想.

學(xué)生總結(jié)：光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，若光速變慢，則折射光線偏向法線，反之則偏離法線.

該過程，教師先演示空氣和水間的折射，同時(shí)出示光在幾種透明介質(zhì)中的速度，然后學(xué)生自主探究光從空氣到玻璃的折射，根據(jù)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)猜想光的折射和光速的關(guān)系，再探究光在玻璃和水、水和食用油中的折射去驗(yàn)證猜想.從現(xiàn)象到提出猜想再到驗(yàn)證猜想，步步深入探究光的折射規(guī)律.這樣學(xué)生就不用去記憶以上幾個(gè)教材中那么多文字的結(jié)論.更不用去記“空氣中的角大”等教學(xué)中的二次結(jié)論，這種教學(xué)的過程既有深度，又符合初中生的思維水平.同時(shí)為高中學(xué)生學(xué)習(xí)折射定律打好基礎(chǔ)，利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

4.4 知識(shí)應(yīng)用 解決問題

用光的折射規(guī)律解釋生活中光的折射現(xiàn)象是本節(jié)課的難點(diǎn)，但前面探究充分，學(xué)生解釋生活中的折射現(xiàn)象也就水到渠成了.

(1)早晨看到初升的太陽.學(xué)生通過一系列探究過程，知道了光從光速快的介質(zhì)到光速慢的介質(zhì)時(shí)，折射光線要偏向法線，所以學(xué)生很容易畫出光從真空到空氣的折射光路圖.這里筆者強(qiáng)調(diào)地球表面的空氣是不均勻的，但我們把空氣理想化成均勻介質(zhì)，可以畫出圖6所示光路圖.解釋生活中的這個(gè)現(xiàn)象，讓學(xué)生充分理解光的折射規(guī)律，光的折射是和光速有關(guān)系的.

圖6 太陽光射入地球外大氣層的折射示意圖

(2)用光的折射解釋硬幣“上浮”.引導(dǎo)學(xué)生畫出光從水到空氣的折射光路圖，由于學(xué)生探究了水與空氣的折射規(guī)律，所以學(xué)生很容易畫出光從水到空氣的折射光路，如圖7所示，自然能夠解釋課堂引入時(shí)的魔術(shù)“硬幣上浮”.筆者提出斜插在水里的筷子會(huì)向上彎折，引導(dǎo)學(xué)生畫圖解釋，同時(shí)總結(jié)，我們從岸上看到水里的魚、河底的石頭等都會(huì)變淺，這也是生活中許多溺水事故的重要原因，所以，大家在河邊不能輕易下水游泳，看起來水變淺了，但實(shí)際要比看到的位置深.

圖7 “硬幣上浮”原理示意圖

總之，物理教師要時(shí)刻關(guān)注生活中的新產(chǎn)品，關(guān)注這些新產(chǎn)品是否能運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).本文中筆者就先用光的折射軟件模擬了各種透明介質(zhì)的折射情況，在模擬過程中找到效果最明顯方案的基礎(chǔ)上，再網(wǎng)購了市場上最新的高功率激光筆和亞克力板材，利用亞克力板材自制透明容器，然后裝水、食用油以及玻璃來研究其間的折射情況，豐富了學(xué)生的探究過程，得出光的折射與光速的關(guān)系，為高中光的折射定律教學(xué)打好基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提高.