光的反射和折射教學(xué)新視域

朱春 邢紅軍

摘 要：在初中物理教學(xué)中，光的反射和折射教學(xué)主要圍繞“光線”來進(jìn)行，但對(duì)于光的反射和折射過程中的能量卻很少涉及. 為此，通過對(duì)光的反射和折射過程中的能量分配進(jìn)行討論，使學(xué)生達(dá)成對(duì)光的反射和折射的全面認(rèn)識(shí)，從而有助于使學(xué)生形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的能量觀.

關(guān)鍵詞：光的反射;光的折射;能量觀;能量分配

文章編號(hào)：1008-4134（2019）22-0034 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

光的反射和光的折射是初中物理的重要內(nèi)容，通過對(duì)教材進(jìn)行分析以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，教材對(duì)這部分內(nèi)容的處理主要是從光線的角度展開教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)記錄反射角和入射角從而得出光的反射定律，通過觀察折射角總結(jié)出光的折射規(guī)律[1].

不難發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)光的反射和折射教學(xué)中，主要是從光線的角度研究問題，而對(duì)于光在反射和折射過程中的能量分配問題卻鮮有提及.

能量概念是物理學(xué)的基本概念，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是自然界的基本規(guī)律，它把物理學(xué)中看似相互獨(dú)立的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和原子物理學(xué)緊密聯(lián)系起來，并用能量的概念完備地解釋物理現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了學(xué)科最大的邏輯簡(jiǎn)單性[2].

2001年頒布的義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)，使“能量”首次成為課程內(nèi)容的三個(gè)主題之一. 在初中物理教材中，能量的概念也貫穿始終，可見能量在中學(xué)物理中的重要性.另一方面，能量概念又非常抽象，由于現(xiàn)行的初中物理教材都未給能量下一個(gè)確切的定義，也未對(duì)能量概念作詳盡的解釋，因此，這就導(dǎo)致學(xué)生在理解能量概念時(shí)普遍感到困難.

以能量教學(xué)、能量概念和能量觀為檢索詞對(duì)中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，大部分研究者都認(rèn)識(shí)到了在高中階段對(duì)能量相關(guān)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)的重要性，并在教學(xué)中突出能量概念. 但倡導(dǎo)在初中階段引導(dǎo)學(xué)生建立能量觀的文獻(xiàn)卻很少，在能量及其相關(guān)概念教學(xué)上，也缺乏較為系統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)策略.

由于教材編寫與教師教學(xué)均未能有效地樹立正確的能量觀，加上未有系統(tǒng)的教學(xué)方法和策略，從而導(dǎo)致初中學(xué)生難以從能量的角度認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象也就不足為奇.

因此，在初中階段加強(qiáng)能量及相關(guān)知識(shí)的教學(xué)就顯得尤為重要.

在光的反射和折射教學(xué)中，由于初中生已經(jīng)積累了與能量相關(guān)的前概念，所以從能量角度研究光的反射和折射，就成為學(xué)生頭腦中由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的過程，不僅符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，而且是可行且必要的. 通過這一教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠擴(kuò)展學(xué)生的能量認(rèn)知圖式，有助于學(xué)生建構(gòu)完善的能量知識(shí)體系，幫助學(xué)生形成對(duì)光的反射和折射的全面認(rèn)識(shí)，從而促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展.

2 光的反射和折射過程中的能量分配

為了讓初中學(xué)生更好地建構(gòu)能量知識(shí)，豐富對(duì)光的反射和折射的認(rèn)識(shí)，下面討論光從一種媒質(zhì)入射進(jìn)另一種媒質(zhì)時(shí)反射光和折射光的能量分配情況.

光入射到媒質(zhì)的界面上時(shí)，一部分光反射回原來的媒質(zhì)，另一部分透入另一種媒質(zhì)，同時(shí)也總有一些光被媒質(zhì)所吸收. 但是對(duì)于透明體來說，例如純凈的空氣、清水和光潔的玻璃等，吸收的光能極少，通?？梢月匀ゲ挥?jì). 根據(jù)能量守恒定律，入射光的能量應(yīng)等于反射光的能量與折射光的能量之和. 反射光和折射光的能量分配是根據(jù)兩媒質(zhì)的光學(xué)特性（折射率n）和入射角的大小i所決定的.

下面分別討論當(dāng)光從空氣入射到水中（n=1.33）反射光和折射光的能量分配情況以及光從玻璃（n=1.33）入射到空氣反射光和折射光的能量分配情況.

2.1 光線從空氣入射到水中

光線以不同入射角從空氣入射到水中反射光和折射光的能量分配情況，見表1.

反射光和折射光能量分配圖，如圖1所示.

從表1和圖1中可以看出，當(dāng)光從空氣以不同入射角分別入射到水中時(shí)，隨著入射角逐步變大，反射光的能量也隨之增大. 入射角在0°— 60°之間時(shí)，反射光能量增大幅度小，不超過6%. 從60°開始，增長(zhǎng)幅度變大，當(dāng)入射角達(dá)到80°時(shí)，反射光能量可達(dá)34%以上，入射角達(dá)到90°時(shí)，反射光能量達(dá)到了100%.

隨著入射角增大，折射光的能量隨之減小. 當(dāng)入射角小于60°時(shí)，折射光能量緩慢減小，當(dāng)入射角大于60°，折射光能量急劇下降，入射角從80°上升到89°時(shí)，折射光能量從65.5%大幅下降到10%，入射角達(dá)到90°時(shí)，折射光能量減少為0.

當(dāng)反射光能量和折射光能量的趨勢(shì)線相交時(shí)，反射光能量與折射光能量相等，此時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角為i=i1 ，當(dāng)ii1 時(shí)，反射光能量大于折射光能量.

2.2 光線從玻璃進(jìn)入空氣中

上面討論的是光線從光疏媒質(zhì)（空氣）入射到光密媒質(zhì)（水）反射光和折射光的能量分配情況，下面討論當(dāng)光線從光密媒質(zhì)（玻璃）進(jìn)入光疏媒質(zhì)（空氣）時(shí)反射光和折射光的能量分配情況.

與光線從空氣入射到水中的情況不同的是，光線從玻璃進(jìn)入空氣會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象. 所謂全反射現(xiàn)象是指當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，折射角r=90°，因而當(dāng)入射角等于或大于臨界角時(shí)，光線就不再折射而是全部被反射. 由水到空氣的全反射臨界角約為49°，由各種玻璃到空氣的臨界角在30°-40°之間. 光線從玻璃進(jìn)入空氣時(shí)，其反射光和折射光能量分配的百分比見表2.

反射光和折射光能量分配圖，如圖2所示.

由表2和圖2可知，當(dāng)光線從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)時(shí)，反射光的能量同樣也是隨著入射角的增大而增大. 不同的是，當(dāng)入射角接近臨界角i=42°時(shí)，入射角若有微小變化，反射光能量便急劇增大. 當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，反射光能量達(dá)到100%，自此隨著入射角的持續(xù)增加，反射光的能量都是100%，即發(fā)生了全反射現(xiàn)象.

在發(fā)生全反射之前，折射光能量隨著入射角的增大緩慢減少，并在總能量中占很大比重，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角后，折射光能量降為0.

圖2中反射光能量和折射光能量趨勢(shì)線的交點(diǎn)同樣表示在此時(shí)的入射角下，反射光能量與折射光能量相等.

需要說明的是，反射定律和折射規(guī)律只有在媒質(zhì)分界面尺寸大大超過波長(zhǎng)時(shí)才是正確的. 如果小水滴或小玻璃片的尺寸小于0.01毫米時(shí)，將出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，此時(shí)，反射光能量和折射光能量的分配，就不再符合以上各表的數(shù)據(jù)了[3].

3 研究啟示

通過對(duì)光的反射和折射現(xiàn)象中反射光能量和折射光能量分配情況的分析可知，在光學(xué)教學(xué)中引入能量概念，能夠使學(xué)生更為全面地理解光的反射和折射現(xiàn)象，豐富初中學(xué)生的物理認(rèn)知，為后續(xù)的物理學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ). 還能夠培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)的興趣，并有助于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成，這顯然具有重要的教學(xué)意義.

3.1 物理教學(xué)應(yīng)樹立正確的能量觀

一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)都與能量有關(guān)，能量概念滲透于初中物理的每一個(gè)教學(xué)內(nèi)容中，因此教師要樹立正確的能量觀念，善于把與能量相關(guān)的知識(shí)勾勒出來，為學(xué)生提供建立能量觀念的機(jī)會(huì)，從而構(gòu)建完善的知識(shí)體系. 為此，教師要準(zhǔn)確把握能量概念的教學(xué)要求，既要注重能量?jī)?nèi)涵的教學(xué)，又要把握能量外延的教學(xué). 這是因?yàn)?，在初中階段如果教師講得太深，教學(xué)效果反而會(huì)適得其反.由于初中學(xué)生已經(jīng)積累了與能量相關(guān)的前概念，因此，在光的反射和折射教學(xué)中實(shí)現(xiàn)從光線角度到能量角度的跨越，同時(shí)符合初中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，能夠深化初中學(xué)生對(duì)光的反射和折射的認(rèn)識(shí).值得注意的是，除光學(xué)外，初中物理其他部分同樣也與能量有著密不可分的聯(lián)系.譬如，聲音具有聲能、運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)能、發(fā)生彈性形變的物體具有彈性勢(shì)能、被舉高的物體具有重力勢(shì)能、電具有電能等，這些都是能量的各種形式.教師在整個(gè)初中階段的物理教學(xué)中應(yīng)逐步滲透能量的各種形式，力求為學(xué)生構(gòu)建完備的能量知識(shí)體系，使學(xué)生對(duì)能量有更全面而具體的認(rèn)識(shí)，激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣，進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生科學(xué)思維.

3.2 物理教學(xué)應(yīng)滲透量變質(zhì)變規(guī)律

量變是指事物量的規(guī)定性的變化，質(zhì)變是指事物根本性的變化. 《荀子》說：“不積跬步，無以至千里;不積小流，無以成江海.”，說明了量變與質(zhì)變相互轉(zhuǎn)變的規(guī)律. 初中物理很多內(nèi)容都體現(xiàn)了量變與質(zhì)變的思想，如物體溫度的量變會(huì)引起物態(tài)的質(zhì)變;透鏡成像時(shí)，物距的量變會(huì)引起像的質(zhì)變等[4] .在討論光線從玻璃進(jìn)入空氣的情況時(shí)，當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)，反射光能量遠(yuǎn)小于折射光能量，而當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，能量分配情況發(fā)生了突變，反射光能量達(dá)到100%，折射光能量降為0，發(fā)生了全反射現(xiàn)象，這一過程就是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程. 物理學(xué)中諸多概念和規(guī)律都滲透著量變與質(zhì)變的規(guī)律，將量變與質(zhì)變的辯證思想應(yīng)用到物理教學(xué)中，不僅有利于學(xué)生更好地理解知識(shí)，同時(shí)學(xué)生的科學(xué)思想、科學(xué)方法等都能得以發(fā)展. 更為重要的是，這一思想對(duì)學(xué)生樹立“千里之行，始于足下”的人生觀也可以產(chǎn)生潛移默化的影響.

3.3 物理教學(xué)應(yīng)注重理論聯(lián)系實(shí)際

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，初中生的認(rèn)知發(fā)展水平還停留在前運(yùn)算階段和具體運(yùn)算階段，因此，教師在教學(xué)中就應(yīng)當(dāng)注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生利用物理知識(shí)解決生活與學(xué)習(xí)中的實(shí)際問題的能力，從而幫助學(xué)生更好地建構(gòu)認(rèn)知圖式.在現(xiàn)實(shí)生活中，光的反射、光的折射以及光的全反射現(xiàn)象都有著廣泛的應(yīng)用，家中的穿衣鏡，汽車上的后視鏡等運(yùn)用了光的反射原理;斜放在水中的筷子看上去被“折斷”、河里的水看上去比實(shí)際的淺、光學(xué)眼鏡、顯微鏡、放大鏡、照相機(jī)等均運(yùn)用了光的折射原理;胃鏡、潛水鏡、光纖通信等都使用了全反射的原理. 此外，在自然界中，水中或玻璃中的氣泡看起來特別明亮，其原因就是因?yàn)楣饩€從水或玻璃射向氣泡時(shí)，一部分光在界面發(fā)生了全反射. 因此，通過將生活中的全反射現(xiàn)象引入到物理教學(xué)中，將理論聯(lián)系實(shí)際，就能夠使學(xué)生更全面地了解光的反射和折射現(xiàn)象從而發(fā)展他們的科學(xué)思維.

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（八年級(jí)上冊(cè)） [M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]譚世略.初中物理能量及相關(guān)概念教學(xué)的研究與實(shí)踐[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009.

[3]何汝鑫.中學(xué)物理解疑[M].南京：江蘇人民出版社，1982.

[4]莊運(yùn)武.完成量的積累 實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍[J].中小學(xué)教學(xué)研究，2015（11）：36-39.

（收稿日期：2019-07-23）