示教用光的反射與折射規(guī)律教具設(shè)計(jì)與制作

劉忠民 周琳 徐學(xué)翔 李雯雯

摘 ?要 物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)儀器，同樣，學(xué)生或一線教師參加教學(xué)競賽，都離不開實(shí)驗(yàn)儀器或自制的實(shí)驗(yàn)教具。詳細(xì)介紹光的反射與折射規(guī)律教具的設(shè)計(jì)要求、制作技巧及細(xì)節(jié)處理。

關(guān)鍵詞 物理;光的反射與折射;教具;演示教學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）20-0045-03

Abstract Physics is a science based on experiments. Student experi-mental teaching cant do without experimental instruments. Similarly，?university students or teachers front line take part in Physics Com-petition cant do without experimental instruments or self-made experimental teaching instruments. In this paper， It introduces the design requirements， fabrication techniques and details of light reflection and refraction teaching instruments in great detail.

Key words physics; reflection and refraction of light; teaching instruments; demonstration teaching

1 問題提出

學(xué)生參賽中的問題 ?學(xué)生在參加高等物理教育研究會2018年組織的第六屆“華夏杯”全國物理教學(xué)技能大賽及物理教育論壇時，參加教學(xué)競賽的題目是：光的折射定律。因缺乏教具，學(xué)生便從淘寶網(wǎng)購買，而所購教具水槽直徑僅20 cm，尺寸太小，評委老師無法看清光路，演示效果不佳，影響了比賽成績。中學(xué)常規(guī)班級人數(shù)約50人，小尺寸的教具用于課堂演示教學(xué)，坐后排的學(xué)生無法看清物理現(xiàn)象與物理過程。2019年上半年，學(xué)生參加江西省內(nèi)物理教學(xué)競賽，筆者制作了水槽直徑50 cm的教具，收效甚好。在第七屆“華夏杯”全國物理教學(xué)技能大賽及物理教育論壇的教學(xué)競賽中，該教具獲得創(chuàng)新獎，學(xué)生講課也獲得一等獎。

課堂教學(xué)光的反射與折射規(guī)律演示教具中的問題 ?江西省中小學(xué)教師國培計(jì)劃自2010年開始實(shí)施，2019年下半年，國培學(xué)員看了筆者做的教具非常感興趣，有學(xué)員反映：“中學(xué)物理光的反射與折射是光學(xué)部分重要內(nèi)容之一，但教育行政部門配發(fā)的教具尺寸較小，無法滿足教師課堂上演示教學(xué)需求?！笨墒?，由于一是缺乏工具，二是工具尤其電動工具不會也太敢用，加之經(jīng)費(fèi)等問題，因此，絕大部分教師沒有做過教具，在自制教具方面任重而道遠(yuǎn)。

2 光的反射與折射規(guī)律示教教具的設(shè)計(jì)要求

本示教用教具用于教師課堂演示現(xiàn)象或研究規(guī)律，在設(shè)計(jì)時提出三點(diǎn)要求。

儀器尺寸要大，結(jié)構(gòu)要牢，質(zhì)量要好 ?作為演示教具，一般是使用者上課時，教具放在講臺上，以便演示現(xiàn)象或規(guī)律時全班學(xué)生都能看到。故儀器必須大氣，即有足夠大的尺寸。教具若在中學(xué)使用，每一屆常有多個班，且年年要用，所以教具必須堅(jiān)固耐用且使用方便。若是教師或?qū)W生用來參賽，要求儀器在比賽過程中不能出現(xiàn)任何紕漏，以免影響比賽成績。尤其異地參賽，需經(jīng)過顛簸運(yùn)輸，對儀器的質(zhì)量和穩(wěn)定性要求更高。

儀器可不斷改進(jìn) ?物理教師或?qū)W生在設(shè)計(jì)教具過程中不可能面面俱到，在使用過程中常會發(fā)現(xiàn)不足之處，需進(jìn)行改進(jìn)。如本儀器刻度盤的刻度線最早時使用黑色，發(fā)現(xiàn)儀器給人壓抑的感覺;后改成藍(lán)色，儀器給人敞亮、舒適、快樂的感覺。教師或?qū)W生用于競賽的教具，若需長途運(yùn)輸，尤其儀器尺寸過大，最好設(shè)計(jì)成可隨時拆卸和組裝的方式，以方便運(yùn)輸。

儀器必須能科學(xué)演示出物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或規(guī)律 ?儀器在設(shè)計(jì)時首先要考慮的是儀器可給學(xué)生演示：光在二種介質(zhì)界面反射時，反射角等于入射角;當(dāng)光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時，折射角小于入射角;當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時能測出全反射角;驗(yàn)證光路是可逆的。并進(jìn)一步通過較準(zhǔn)確測量讀取角度值，測算出液體槽中不同液體、同一液體不同密度或溫度時的折射率，從而達(dá)到探究與初步研究光的反射、折射、全反射、光路可逆等規(guī)律。

3 光的反射與折射規(guī)律示教教具的制作

液體槽的制作 ?液體槽由三塊板組成：厚5 mm、半徑25 cm亞克力圓背板一塊，厚5 mm、半徑25 cm亞克力半圓面板（如圖1所示）一塊，厚2 mm、長82.5 cm、寬4 cm的長方形板一塊。將三塊板用亞克力專用膠水膠接成一半圓柱體形（如圖2所示），即是液體槽。在膠接時，如何確保液體槽盛裝的液體是標(biāo)準(zhǔn)半圓柱體？可用5 mm厚的亞克力板切割一內(nèi)徑44 cm、寬度1 cm的定位用加強(qiáng)筋，即圖1中紅色部分。先半定位加強(qiáng)筋粘接在亞克力半圓板和圓背板上，再將長方形2 mm厚亞克力粘接在圓板上，半圓板最好等刻度盤（圖3）貼在圓背板上后再粘接。圖1、圖2、圖3中圓點(diǎn)即圓心，往液體槽內(nèi)裝液體時，液面到達(dá)圓心點(diǎn)的水平線時，液體成標(biāo)準(zhǔn)半圓柱體。如果覺得液體槽太大，可依自己尺寸設(shè)計(jì)。

刻度盤的制作 ?刻度盤用白底不干膠制成，刻度線選藍(lán)色，最小刻度2度（圖3）;若要求高，可做成1度。但是刻度線太密，視覺效果會很差，可采用錯位的辦法，即1度刻線的圓半徑小一定尺寸。過圓心畫一水平實(shí)線，用于實(shí)驗(yàn)時察看水位和調(diào)節(jié)儀器水平;過圓心畫一豎虛線當(dāng)法線。若液體槽內(nèi)徑為44 cm，刻度盤可做成43.5 cm。

水槽支架的制作 ?水槽支架要求穩(wěn)固、不易形變，在水槽裝滿水時，水的重力不會對穩(wěn)定性產(chǎn)生任何影響。實(shí)際制作的支架正面如圖4所示，為增強(qiáng)穩(wěn)定性，添加加強(qiáng)條以便形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)條在固定時要確保背板與底板垂直。為便于調(diào)液面水平，在底板四個腳安裝水平調(diào)節(jié)螺絲。

圖5是水槽支架反面。為便于激光筆支架與背板緊密結(jié)合，制作并安裝兩塊弧形平滑鐵皮。在水槽支架反面，激光支架轉(zhuǎn)軸的定位非常重要，將影響到在激光支架轉(zhuǎn)動過程中，激光是否能始終指向圓心。這要求激光支架轉(zhuǎn)軸在液體槽的圓心位置，激光筆與支架完全對稱。

激光筆支架的制作 ?激光筆支架做成L形，要求穩(wěn)定性好，不易形變，否則影響激光入射角變化時對準(zhǔn)圓心。其結(jié)構(gòu)見圖6與圖7。激光筆支架上裝有一圓環(huán)體磁鐵，磁鐵由自攻螺絲固定在木制激光筆支架上，磁鐵與平滑鐵皮緊密吸合且不晃動，如有晃動則是自攻螺絲所致，需將自攻螺絲頂端磨平。在激光筆連接處的木支架上鉆一孔，激光筆剛好放入孔中，用熱熔膠固定激光筆。在激光筆支架轉(zhuǎn)動過程中，激光應(yīng)始終指向液體槽的圓心，如未指向圓心，則用熱風(fēng)槍吹軟熱熔膠后冷卻時再固定激光管，使激光軸心、支架軸心在一平面內(nèi)。如在轉(zhuǎn)動初位置能指向圓心，轉(zhuǎn)動一定角度后又不能嚴(yán)格指向圓心，則與支架轉(zhuǎn)軸的定位或激光支架在轉(zhuǎn)軸處的孔不在正中心有關(guān)。

4 激光與雜光的處理

本儀器中，激光筆是線激光，射入水中后不利于光路的觀察和刻度的讀取，需在激光出口處粘接一小段玻璃細(xì)圓柱或塑料細(xì)圓柱，使線激光變成面激光。激光筆固定在支架上時需調(diào)節(jié)好角度，使面激光平面與水面平行。

實(shí)驗(yàn)時，面激光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時，反射光線周邊會出現(xiàn)較強(qiáng)的雜光干擾，雜光來自水槽弧形底端的反射，可在弧形底端粘一2 cm寬的黑色玻璃膜或黑色絕緣膠帶，將射光吸收掉。

5 小結(jié)

在2003年發(fā)布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中沒有專門列出學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)迷茫且有弱化趨勢?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出12個必做實(shí)驗(yàn)和9個選做實(shí)驗(yàn)[1]，強(qiáng)化學(xué)校與教師要引導(dǎo)學(xué)生做中學(xué)，做中體會科學(xué)探究內(nèi)涵，以發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能否成功，關(guān)鍵在教師，若教師意識到實(shí)驗(yàn)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要性，對學(xué)生的將來發(fā)展有責(zé)任心，必對實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教具、制作教具有興趣和動力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也一定會越來越好。希望本文所述示教用教具在幫助中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面能發(fā)揮作用。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.