對“探究光的反射定律”實驗的質(zhì)疑和教學(xué)建議

劉炳昇

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046)

光的反射定律是初中光學(xué)的基本內(nèi)容之一，課程標(biāo)準(zhǔn)的要求為：通過實驗，探究并了解光的反射定律。傳統(tǒng)的實驗用如圖1所示的裝置探究反射光線與入射光線和法線的關(guān)系、反射角與入射角的關(guān)系。在實驗中，讓入射光在A屏上顯示出傳播的路徑，再使B屏繞法線向后折轉(zhuǎn)，可見只有當(dāng)B屏和A屏在同一平面時，反射光的路徑才能顯示出來，由此說明反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)。

圖1

1 質(zhì)疑

對于上述探究過程，從邏輯上分析可能存在的問題。在空氣中，入射光線和反射光線應(yīng)當(dāng)是通過入射點(diǎn)的兩條直線。根據(jù)幾何原理，相交的兩條直線必然在一個平面內(nèi)，也就是入射光線和反射光線必然在一個平面內(nèi)。按此推理，入射光線與反射光線不可能在兩個不同的平面內(nèi)，因此將B屏向后折轉(zhuǎn)是沒有必要的。再者，既然選擇了A平面為入射光所在的平面，即選擇入射光線與法線所在的平面，這個平面應(yīng)當(dāng)是二維無限拓展的，所以必然會在這個平面內(nèi)呈現(xiàn)出反射光的路徑，因此，折轉(zhuǎn)B屏也是沒有必要的。

探究光的反射定律就是要找尋入射光線與反射光線構(gòu)成的平面究竟在哪里，如圖2所示，將一束光照射在平面鏡上，通過入射光可以作無數(shù)個平面(圖中只畫出了三個平面)。將一個平面繞其上的入射光線旋轉(zhuǎn)360°，其中有一個平面與平面鏡垂直，即平面鏡的法線在這個平面內(nèi)，反射光也就呈現(xiàn)在這個平面上。

圖2

2 教學(xué)建議

在教學(xué)設(shè)計中既要考慮物理學(xué)科的邏輯性，又要考慮學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，以下提出相關(guān)教學(xué)設(shè)計建議。

2.1 定性觀察與猜想

自然界中光的反射現(xiàn)象中很少會直接顯示出光的傳播路徑，用光線模型探究反射規(guī)律，反映了一種物理思想。為了讓學(xué)生感悟這種思想，可以在探究情景引入時，讓學(xué)生觀察光斑位置隨入射方向變化的現(xiàn)象，從而抽象出光線的模型，猜想其空間變化的特點(diǎn)，為定量探究做準(zhǔn)備。可給學(xué)生一只電筒和一塊平面鏡，觀察光斑位置變化的特點(diǎn)。

2.2 實驗探究光的反射定律

用如圖3所示的裝置，其中光屏是可以繞水平直徑偏轉(zhuǎn)的半圓面，平面鏡固定在水平面上，用激光筆作為光源。

(1) 如圖3所示，將光屏倒向后方，將激光束照射到平面鏡中心處，調(diào)節(jié)底座的方位和光屏的角度，設(shè)法使光屏上呈現(xiàn)出入射光和反射光的徑跡。觀察與思考：在什么情況下，光屏上會同時顯示出入射光線和反射光線？即反射光線與入射光線所在的平面與平面鏡所在平面有什么關(guān)系？

圖3

(2) 如圖4所示，將光屏調(diào)至與水平面成垂直的狀態(tài)，多次改變?nèi)肷浣牵瑢嶒灢⒂涗浫肷浣呛头瓷浣堑拇笮　?/p>

圖4

(3) 根據(jù)上述實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，總結(jié)出光的反射規(guī)律。

2.3 拓展光反射定律的空間概念

用如圖5所示的半球形透明塑料罩做演示實驗，在透明罩內(nèi)充入煙霧，將一束激光照射到置于底面中心處的平面鏡上，可以同時觀察到入射光束和反射光束。改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌?，可以形成光的反射在三維空間中的形象。

圖5

先演示入射角從0°到接近90°連續(xù)變化的光的反射現(xiàn)象，再演示入射角從接近90°到0°連續(xù)變化的光的反射現(xiàn)象，從而使學(xué)生對光的反射定律形成整體和動態(tài)的認(rèn)識。