光的折射定律實驗教具設(shè)計與制作

宋偉林，代 偉，張 奕，黎 蕊，何嬌嬌

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗在物理教學(xué)中對于老師講授物理知識，幫助學(xué)生建立相應(yīng)的物理情景以及學(xué)生對所學(xué)知識的理解都起著非常重要的作用。幾何光學(xué)在中學(xué)物理中占有比較重要的地位,而光的反射、折射定律是整個幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。如果在教學(xué)中高中物理老師對折射定律課前準(zhǔn)備一些有創(chuàng)意的引入實驗，對折射定律進行探究式教學(xué)就能更好地幫助學(xué)生建立物理情景，加深學(xué)生對知識的理解。為此本文為高中物理光的折射定律教學(xué)分別設(shè)計了課前引入實驗，三線共面實驗，探究實驗和知識拓展實驗四個教具用于光的折射定律教學(xué)，在新課程理念下使之更加符合學(xué)生的認知規(guī)律。

1 新課引入實驗教具

物理新課引入中，老師常常需要通過一些有創(chuàng)意的演示實驗來創(chuàng)設(shè)物理情境，去激發(fā)學(xué)生對所學(xué)新知識的興趣，從而幫助學(xué)生積極開動腦筋去思考新課引入中演示實驗所包含的物理知識。在之前光的折射定律教學(xué)中老師們用得最多的是從寓言故事“坐井觀天”去設(shè)計圖1所示的演示實驗為學(xué)生創(chuàng)設(shè)光的折射新課引入物理情景，但這個引入實驗很多老師都在采用，大多數(shù)學(xué)生對這一演示實驗比較熟悉，這個引入實驗對學(xué)生而言就失去了新意，如果老師仍然用它進行新課引入就不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。為此，在不脫離教材的前提下對該引入實驗進行了創(chuàng)新設(shè)計。

圖1 “坐井觀天”演示實驗

新設(shè)計的光的折射引入創(chuàng)新實驗裝置如圖2所示，教具由攝像手機，水槽，黑色貼紙，五星紅旗圖版構(gòu)成，其中黑色貼紙尺寸做成和水槽側(cè)面尺寸一樣大，在黑色貼紙的中間開一個小圓形通光孔，貼紙裁剪好后沿圖2中的箭頭方向貼在水槽的左側(cè)面。教具使用方法是：水槽中先不裝水，調(diào)整五星紅旗圖版的位置，沿圖2中的箭頭方向?qū)⑹謾C貼在水槽的右側(cè)面，調(diào)整好圖版和水槽的位置，用手機攝像頭通過小圓孔對著五星紅旗圖版攝像，使手機攝的像剛好能看到五星紅旗的大五星卻不能看到大五星周圍的四個小五星，然后向水槽中注水，通過手機投屏大五星周圍的四個小五星此時也出現(xiàn)了。該引入實驗的原理是水的折射率比空氣大，加水后從水中射出的光線發(fā)生了折射現(xiàn)象，視線區(qū)域擴大，原先看不見的四個小五角星在水槽中倒入水后就能看到了，從而引入光的折射概念。與圖1的教具相比，這樣改進后教具制作更簡單，光路由原先的豎直方向變成現(xiàn)在的水平方向，操作、觀察起來更加方便，通過手機投屏學(xué)生看到的物理情景也更直觀，如圖2所示。通過該教具來為學(xué)生創(chuàng)設(shè)光的折射物理情景，學(xué)生對知識的理解就更加容易，老師的操作也更加方便，最關(guān)鍵的是在實驗原理不變的情況下大家看到了一個與原有教具完全不同的創(chuàng)新教具，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維是一個很好的實例。

(a) 光的折射演示教具示意圖

(b) 光的折射演示例圖圖2 光的折射演示教具

2 折射定律中“三線共面”教具

在探究折射光線、入射光線、法線三線共面問題時，目前用得最多的實驗裝置如圖3所示，采用的方法是用線性激光筆做入射光源，將光屏的右半部分向后翻折，右半部分光屏上的折射光線如果消失就證明了入射光線，法線和折射光線在同一平面內(nèi)。這種方案在邏輯上是說不通的。因為用這種方案要使實驗現(xiàn)象能看到就必須在激光筆前面安放一個分光器，將點激光變成線性的，很顯然線性光源和點激光是不同的。并且將光屏右半部分向后翻折，光屏上的折射光線消失，這只能證明光屏的右后方?jīng)]有折射光線，不能根據(jù)此實驗現(xiàn)象就證明三線共面。如果要證明三線共面還應(yīng)該將光屏向前翻轉(zhuǎn)，再做一次實驗，如果仍然看不到折射光線，以此證明三線共面才科學(xué)，但這種實驗裝置根本無法實現(xiàn)，因為如果將光屏右半部分向前翻折，折射光線并不會消失，所以現(xiàn)有的光的折射三線共面實驗探究裝置存在一些問題。為此，創(chuàng)新設(shè)計的光的折射三線共面實驗探究裝置如圖4所示。

(a) 折射定律三線共面光路圖

(b) 折射定律三線共面示意圖圖3 滬科版驗證折射定律三線共面配圖

圖4 光的折射三線共面演示教具

教具用兩個有機玻璃半圓球粘接而成，有機玻璃圓球安裝在一個圓形轉(zhuǎn)盤上，圓球的上部側(cè)面鉆一個孔，演示時通過該孔向圓球中加入顏料水和煙霧。一只充當(dāng)法線的激光筆(綠色)安放在球的正上方，另一只入射線激光筆(紅色)通過一根固定桿安放在轉(zhuǎn)盤上。演示時球的下半部分裝顏料水，上半部分加入煙霧(目的是實驗中能清晰看到空氣中和水中光線傳播的路徑)。打開兩只激光筆，當(dāng)教具正對學(xué)生時學(xué)生可以清晰地看到法線，入射光線，折射光線，并且入射光線和折射光線分居法線兩側(cè)。然后慢慢轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)入射角和折射角會越變越小，當(dāng)轉(zhuǎn)盤相對初始位置轉(zhuǎn)過90度后，這時可以清晰地看到入射光線，法線，折射光線三線完全重合變成一根線，從而證明入射光線，法線，折射光線三線是共面的。如果沿折射光線的反方向用另一只激光筆進行照射可以觀察到折射光線和入射光是可逆的。利用該教具可以幫助學(xué)生建立起三線共面和光路可逆的物理場景，使學(xué)生能更好地理解光的折射定律，通過此教具也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，而且也可以豐富學(xué)生對光線空間感的認識，讓學(xué)生對光的折射、反射現(xiàn)象從平面認識上升到立體空間的認識。

3 折射定律探究實驗教具

為了定量探究折射定律中入射角和折射角的大小由測得的實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出折射定律，設(shè)計的創(chuàng)新實驗教具如圖5所示。教具由塑料盒、底座、支架、激光筆、旋轉(zhuǎn)桿組成。塑料盒用一個較大的燕窩包裝盒粘接而成，盒上貼上環(huán)形角度刻度盤，整個塑料盒安裝固定在由PVC板做成的支架上面，支架上還安裝有一個環(huán)形鐵板。旋轉(zhuǎn)桿可以繞塑料盒的中心旋轉(zhuǎn)，桿上安裝一塊薄片磁鐵，激光筆固定在旋轉(zhuǎn)桿上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)到某一位置時利用磁鐵的磁性可以把激光筆固定，這樣可方便測出此時入射角和折射角的大小。實驗探究時在塑料盒中裝入一半的顏料水，水的上部加上煙霧，打開激光筆，改變?nèi)肷浣堑拇笮y出對應(yīng)折射角的大小，通過定量探究利用測得的實驗數(shù)據(jù)可以歸納得出折射定律的數(shù)學(xué)表達式。

(a) 折射定律定量探究演示教具示意圖

(b) 折射定律定量探究演示實物圖圖5 折射定律定量探究演示教具

4 折射定律知識應(yīng)用教具

在教學(xué)中，為了幫助學(xué)生鞏固知識，在新課的最后，教師還要提出與教學(xué)內(nèi)容相對應(yīng)的物理問題，讓學(xué)生在對問題的分析和處理中加深對所學(xué)知識的理解，幫助學(xué)生的思維向更高層次發(fā)展。在學(xué)習(xí)了光的折射這一節(jié)的內(nèi)容之后，對折射定律知識應(yīng)用最常見的例子就是漁夫叉魚，如果教師只通過書本上的圖片來為同學(xué)們講解漁夫叉魚所包含的物理原理就很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。反之如果能讓學(xué)生課堂上親身體驗一次叉魚課堂游戲，不僅能調(diào)動學(xué)生的課堂積極性，還能幫助學(xué)生理解所學(xué)知識并加深對所學(xué)知識的印象。但很多老師在制作漁夫叉魚教具時會遇到三個比較棘手的問題，一是水中的小魚不好安放，二是叉魚的瞄準(zhǔn)管不好固定，三是光路不可見。為此創(chuàng)新設(shè)計的圖6所示的“漁夫叉魚”實驗裝置很好地解決了這三個問題。

(a) 叉魚演示創(chuàng)新教具示意圖

(b) 叉魚演示創(chuàng)新教具實物圖圖6 叉魚演示創(chuàng)新教具

首先，小魚通過魚支架來固定，這樣小魚就可以安放在魚缸底部的任何位置，使用起來非常方便；二是為了方便叉魚瞄準(zhǔn)管的上下移動和角度調(diào)節(jié)，可在網(wǎng)上買一個萬向調(diào)節(jié)器安裝在鐵架臺立柱上就可以了；三是叉魚瞄準(zhǔn)管采用透明有機玻璃管，實驗時在光路上用霧化器噴一些霧，水中加一些顏料，這樣在用激光筆對小魚進行瞄準(zhǔn)時就可以清晰地看到入射光線和折射光線。漁夫叉魚實驗裝置通過創(chuàng)新設(shè)計后實驗現(xiàn)象明顯，操作起來也很方便，可以大大激發(fā)學(xué)生參與折射定律知識應(yīng)用實驗的興趣。

5 結(jié) 語

依據(jù)光的折射定律的實驗原理設(shè)計和制作了課前引入實驗、三線共面實驗、折射定律定量探究實驗和知識拓展應(yīng)用實驗四個教具，四個教具總體來說結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，操作簡單，實驗非常明顯，折射定律教學(xué)中利用這四個教具開展教學(xué)能夠很好地為學(xué)生創(chuàng)設(shè)出相應(yīng)的物理情景，既利于老師講授又方便學(xué)生對所學(xué)知識的理解，幾個富有創(chuàng)新意識的教具能大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，也對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維起到了很好的示范作用，利于在高中物理教學(xué)中進行推廣。