也談光的直線傳播實驗的創(chuàng)新改進

黃世旺

[摘? ?要]“光的直線傳播”與日常生活密切相關(guān)，有關(guān)實驗很容易從日常生活中找到相關(guān)用品進行實驗操作，這也給實驗的改進提供了廣闊的空間。針對平時教學(xué)中，“光的直線傳播”實驗操作中存在的器材準備過于繁雜、操作方法不夠簡便、現(xiàn)象欠明顯、所花時間太長等諸多問題，提出了創(chuàng)新改進之策，使光在三種不同透明狀物質(zhì)中沿直線傳播的實驗中集中于一個“礦泉水瓶”，從而提升實驗的簡便性和有效性;通過創(chuàng)新改進使光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播的實驗更簡便順暢，現(xiàn)象更明顯。

[關(guān)鍵詞]初中物理;光的直線傳播;創(chuàng)新改進

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）14-0038-03

在初中物理教學(xué)中，“光的直線傳播”是光學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，是后續(xù)學(xué)習(xí)其他光現(xiàn)象、有關(guān)規(guī)律及其應(yīng)用的根基。這部分內(nèi)容的教學(xué)目標就是讓學(xué)生理解：光在均勻的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)（介質(zhì)）中沿直線傳播;否則光不能沿直線傳播（在密度漸變的介質(zhì)中光線均勻彎折，密度漸變的介質(zhì)僅以液體為例）。由于光的直線傳播與學(xué)生的生活及自然現(xiàn)象聯(lián)系緊密，再考慮到教學(xué)時間的限制，教材中安排的實驗、探究活動不多。實際教學(xué)中，教師需要依據(jù)教材中的圖片與文字描述增加必要的演示實驗或課后學(xué)生實驗，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，否則教學(xué)效果不會太好。文章在此結(jié)合教學(xué)實踐就“光的直線傳播”實驗的改進做些分析探討。

一、“光的直線傳播”教學(xué)中的相關(guān)實驗現(xiàn)狀綜述

（一）光的直線傳播實驗

1.光在氣體中的傳播

對于光在空氣中的直線傳播實驗，有的教師提出利用水的沸騰制造“水霧”進行實驗，有的教師提出利用冰塊使水蒸氣液化獲得“水霧”的方法進行實驗，有的教師提出利用霧化器產(chǎn)生“水霧”的辦法進行實驗，還有的主張通過自制煙霧箱演示實驗。這些改進都可以得到較為明顯的實驗效果，但需準備的實驗器材相對較多，操作起來也不夠方便，所花時間相對較長，通過演示的方式來實施，應(yīng)該沒有多大問題，但要讓學(xué)生分組實驗就較為困難了。

2.光在液體中的傳播

對于光在液體中的直線傳播實驗，普遍做法是在水中加入“媒質(zhì)”，即在水中加入幾滴牛奶或紅墨水等，攪拌均勻后用激光筆照射。這一實驗現(xiàn)象十分明顯。

3.光在固體中的傳播

對于光在固體中的直線傳播實驗，有的教師認為利用實驗室現(xiàn)有的玻璃磚，較多的教師則認為利用果凍。事實上用激光筆照射果凍能清楚地觀察到光的直線傳播，而多數(shù)學(xué)校實驗室中的玻璃磚是沒有添加媒質(zhì)的，使用這樣的玻璃磚較難完成這一實驗。

總之，現(xiàn)實課堂教學(xué)中，教師基本上是將光在三種不同狀態(tài)介質(zhì)中的傳播實驗逐個分散來做的。雖然可以取得較為明顯的實驗效果，但從器材準備、操作方法方面來看，不是最佳的，特別是讓學(xué)生分組實驗時效果不佳，值得改進。三個分散實驗，若分組進行都很難較好地實現(xiàn)。

（二）光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播的實驗

為了說明光沿直線傳播的條件是在同一種均勻介質(zhì)中，教師通常會利用食鹽、硫代硫酸鈉、白糖等物質(zhì)配制一種濃度不均勻的溶液，來顯示光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播的現(xiàn)象。實驗證明糖水的濃度分層效果最佳，容易得到濃度漸變的分層區(qū)域。

配制濃度漸變?nèi)芤旱某Ｒ姺椒ㄓ袃煞N：一種是先在透明水槽中倒入適量的清水，然后用漏斗慢慢向水槽底部灌入濃糖水;另一種是先在透明水槽中倒入適量的濃糖水，然后沿水槽壁輕輕倒入清水，通常還使用漏斗、紗布、擋板等慢慢引流，減緩清水倒入時的流速。當(dāng)兩種溶液混合后靜置適當(dāng)?shù)臅r間，讓濃糖水與清水在分界層自由擴散，形成濃度漸變的分層區(qū)域，再用激光筆照射開展實驗。事實上，上述兩種方法很難把控后加入的液體的流速，也就很難配制出上下濃度漸變的分層區(qū)域。

有的教師在以上兩種方法中，用醫(yī)用輸液軟管替代漏斗，采用虹吸法，并通過調(diào)節(jié)輸液管流速控制開關(guān)（圖1），讓后加入的液體保持一定的流速緩慢地注入。相比之下，這一改進較容易配制出上下濃度漸變的分層區(qū)域，但所需的時間太長，影響教學(xué)進度。

二、實驗創(chuàng)新改進

為了提升課堂教學(xué)效率，便于教師學(xué)生操作，筆者在廣泛研究當(dāng)前“光的直線傳播”實驗現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，搜集并研究了相關(guān)實驗的改進措施，認為“光的直線傳播”實驗可從以下兩方面做進一步的改進。

（一）制作集固、液、氣態(tài)物質(zhì)于一身的“礦泉水瓶”

1.在“礦泉水瓶”底部制作膠狀物體

（1）選用材料：空礦泉水瓶（容積330 mL左右為佳，瓶身盡可能為長方體形狀）、奶粉、香、水、超透明水晶滴膠（A、B膠）、一次性水杯、一次性筷子。

（2）制作方法：首先將100 g的超透明水晶滴膠（A膠）及配套的固化劑（B膠）倒入一次性水杯中，并用一次性筷子攪拌均勻，靜置一會待氣泡消除，然后加入黃豆粒大小的奶粉，再緩慢攪拌均勻后倒入空礦泉水瓶中，放置12∽48小時固化。

2. 在“礦泉水瓶”中部制作恰當(dāng)?shù)囊后w

往礦泉水瓶中倒入120 mL左右的清水，加入黃豆粒大小的奶粉，再晃動均勻。

3. 在“礦泉水瓶”頂部制作煙霧

在礦泉水瓶的瓶蓋中心開一個大小合適的小孔，插入一小段香，把礦泉水瓶的瓶蓋擰好。

（二）制作密度漸變的液體

為了向?qū)W生演示光在不均勻物質(zhì)中是不能沿直線傳播的，筆者制作密度漸變的液體，以便演示光傳播過程中彎曲的路徑。

（1）選用材料

透明水槽、直徑為6∽8 mm的鐵線（長約1 m）、紗布、乳膠導(dǎo)管（長約60 cm）、錐形漏斗、止水夾、塑料吸管、縫衣針。

（2）制作方法（如圖2所示）

①用紗布制作一個稍小于水槽底部的網(wǎng)袋;用鐵線制作一個帶有手柄的矩形方框（大小以恰好能插入紗布網(wǎng)袋為宜），將矩形鐵方框插入紗布網(wǎng)袋。

②在乳膠導(dǎo)管的下端連接塑料吸管，上端連接稍大的漏斗，將止水夾套在乳膠導(dǎo)管上;用口徑稍大的縫衣針在塑料吸管上穿刺出密密麻麻的小孔后，將塑料吸管插入紗布網(wǎng)袋中。

③將內(nèi)有塑料吸管的紗布網(wǎng)袋放入水槽底部。

（三） 實驗操作

1.光沿直線傳播實驗的操作

（1）將“礦泉水瓶”的瓶蓋擰開，用火柴將香點燃，然后再把瓶蓋置于礦泉水瓶上并擰好，稍待一會兒，讓煙霧充盈礦泉水瓶的上部空間。

（2）用激光筆先后分別照射礦泉水瓶中充盈著煙霧的空氣、水、固態(tài)水晶滴膠（如圖3）?？汕逦赜^察到光在以上三種不同狀態(tài)的物質(zhì)中傳播的路徑是直的，由此得出“光在氣體、液體、透明固體中都是沿直線傳播的”這一結(jié)論。

2.光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播實驗的操作

（1）先通過漏斗往水槽中注入適量的水，緊接著通過漏斗將適量的濃赤砂糖水注入水槽底部。在以上過程中應(yīng)注意對止水夾的控制，防止在注入水和濃赤砂糖水的時候混入空氣，以及水和濃赤砂糖水在漏斗錐形部分內(nèi)混合。

（2）靜置一會兒，待濃赤砂糖水和水經(jīng)自由擴散形成濃度漸變的分層區(qū)域。然后用激光筆從水槽側(cè)壁稍斜向上照射分層區(qū)域，可觀察到光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播的現(xiàn)象（如圖4）。進而用筷子攪勻分層區(qū)域，又可觀察到光路由彎曲變成了直線。

（四） 實驗創(chuàng)新改進的優(yōu)點

1.凸顯主體

與已有改進實驗相比，這樣改進后的實驗，更方便教師演示光在氣體、液體、固體中的直線傳播，也便于學(xué)生分組實驗，有利于營造學(xué)生在做中學(xué)、研中學(xué)的氛圍，讓學(xué)生真正成為課堂的主人，便于學(xué)生動手實驗，主動探究物理現(xiàn)象、獲取物理知識。

2.取材方便

礦泉水瓶、奶粉、香、鐵線、紗布、塑料吸管、縫衣針等都是日常生活中常見的物品，乳膠導(dǎo)管、漏斗、止水夾等是實驗室必備的器材，均容易獲取;制作水晶滴膠固體用的超透明水晶滴膠，可通過網(wǎng)購獲得，且物美價廉。

3.操作簡單

操作簡便是較為突出的一個優(yōu)點。光分別在氣體、液體、固體中的直線傳播三個實驗，可通過一個“礦泉水瓶”來完成，提升了實驗的整合性，操作的簡單性，為課堂教學(xué)的順利完成節(jié)約了時間。在演示光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播實驗時，在用漏斗往水槽底部加注濃赤砂糖水的過程中，紗布網(wǎng)袋以及塑料吸管上小孔的分流作用能有效地減緩對流的發(fā)生，很好地阻止了機械混合，因此不必擔(dān)心加注濃赤砂糖水的流速問題。

4.現(xiàn)象明顯

光在瓶內(nèi)充滿煙霧的空氣中以及在滴了牛奶的水中，沿直線傳播的現(xiàn)象一目了然;在加了奶粉的固態(tài)水晶滴膠中，沿直線傳播的現(xiàn)象也十分明顯。在演示光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播實驗時，可清晰地觀察到濃赤砂糖水跟水的分層區(qū)域;同時借助希沃投屏，能讓學(xué)生飽覽類似“海市蜃樓”的光路彎曲現(xiàn)象。

5.經(jīng)久耐用

用來探究光在空氣、水、固態(tài)水晶滴膠中直線傳播的“礦泉水瓶”，以及光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播的演示器可以循環(huán)使用，基本上達到一勞永逸的目的。

三、實驗內(nèi)容的拓展

拓展1：探究光的反射。照圖5那樣在“礦泉水瓶”上安裝一個量角器，讓量角器的底線緊貼空氣與水的分界面。用激光筆從礦泉水瓶側(cè)壁斜向下照射，讓光從瓶中空氣斜射到量角器的O點處?？捎^察到一部分光反射回空氣中，通過量角器的讀數(shù)以及進一步分析，得到“在光的反射中，反射光線、入射光線分居法線兩側(cè)，并且反射角等于入射角”的結(jié)論（圖6）。

拓展2：探究光路是可逆的。在拓展1實驗中，用不同顏色的激光筆逆著反射光路照射到量角器的O處，可看出反射出來的光線與原入射光線重合，說明光路是可逆的。

拓展3：探究光的折射。在圖5裝置的基礎(chǔ)上，在量角器的下方對稱安裝一個量角器（需將兩個量角器底線下面多余的部分裁掉），讓兩個量角器的底線緊貼并與空氣和水的分界面齊平。用激光筆從礦泉水瓶側(cè)壁斜向下照射，讓光從瓶中空氣斜射到量角器的O點處?？捎^察到一部分光反射回空氣的同時，一部分光進入水中，并在界面處發(fā)生向下偏折的現(xiàn)象，通過觀察量角器的示數(shù)以及調(diào)整入射光線的角度，分析得到光的折射規(guī)律。

拓展4：探究光垂直入射時光路不變的現(xiàn)象。將礦泉水瓶瓶蓋上的香取出，用激光筆通過瓶蓋上的洞口照射，讓光從空氣垂直入射到水和固態(tài)水晶滴膠中。一方面觀察光從空氣垂直入射到水時，光路是否改變;另一方面觀察光從水垂直進入到固態(tài)水晶滴膠時，光路是否改變。從而說明光從一種透明物質(zhì)垂直進入另一種透明物質(zhì)時，傳播方向不改變。

四、實驗創(chuàng)新改進后的反思

1.在制作水晶滴膠固體時，應(yīng)嚴格按產(chǎn)品說明書的配制方法進行配制，待A、B膠充分混合后才加入奶粉，并攪拌均勻。然后將其放置于水槽中凝固，以利于水晶滴膠凝固過程中產(chǎn)生熱量的傳導(dǎo)，避免因溫度過高導(dǎo)致奶粉熱熟而使滴膠固體出現(xiàn)“黃口”。

2.因?qū)嶒灂r需將香點燃，并插回礦泉水瓶內(nèi)，在此過程中，必須注意實驗操作的安全性，既要注意不被香燙傷，也不要燒壞礦泉水瓶。

3.在“光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播演示器”的制作中，可選用分液漏斗替代錐形漏斗和止水夾，但操作不夠細致時，容易混入空氣，或者水和濃赤砂糖水在分液漏斗中混合。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 劉鳳田，王志永.自制煙霧箱演示光學(xué)實驗[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2014（12）：29-30.

[2]? 王浩.光在不均勻介質(zhì)中彎曲傳播的實驗改進[J].物理教師，2016（12）：37.

（責(zé)任編輯 易志毅）