對(duì)“迎著月亮看前方積水是亮是暗”問題的探究

摘 要：探討初中物理習(xí)題“月亮照積水是亮是暗”的問題。采用模型法進(jìn)行科學(xué)推理，然后用實(shí)物模擬的方法進(jìn)行科學(xué)論證。通過探究，發(fā)現(xiàn)人迎著月亮看前方積水，有亮有暗。研究表明，初中物理此類型題目的結(jié)論需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)支持，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：光的反射；月亮照積水；明暗問題

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）8-0074-2

“光的反射”是人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)第四章《光現(xiàn)象》的第２節(jié)，它是上一節(jié)“光線”模型的應(yīng)用，也是學(xué)習(xí)下一節(jié)“光的折射”的鋪墊。在本節(jié)課教材的“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”欄目中，出現(xiàn)題目“迎著月光走，地上發(fā)亮的是水；背著月光走，地上發(fā)暗的是水，請(qǐng)你依據(jù)所學(xué)光的反射知識(shí)進(jìn)行解釋”［１］，在相應(yīng)練習(xí)冊(cè)中也常出現(xiàn)“在較暗的環(huán)境中，甲迎著月亮看前方積水，是亮還是暗”這類的情境問題（圖１）。所有的答案都按照教材進(jìn)行解釋：迎著月亮看前方積水，發(fā)生了鏡面反射，所以積水比之于旁邊地面是亮的。而實(shí)際生活中的觀察，讓我們對(duì)這種解釋產(chǎn)生了懷疑。通過模型法和實(shí)物模擬的方法，對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了深入探究。

１ 模型法科學(xué)推理

按常識(shí)，對(duì)模型設(shè)定：人眼距離地面１．５ ｍ；積水寬度為１ ｍ；人距離積水０．５ m；月光為平行光。

情況一 人不動(dòng)，月亮相對(duì)位置發(fā)生變化。

作光路圖如圖２所示。由光路圖可以推斷，按照模型設(shè)定情況，能觀察到月光發(fā)亮的范圍在４５°到７１．６°之間，即當(dāng)月亮光在Ｂ區(qū)域，積水才會(huì)發(fā)亮；當(dāng)月亮光在Ａ、Ｃ區(qū)域時(shí)，積水發(fā)暗。

情況二 月亮不動(dòng)（取光與地面夾角為４５°），人向著積水方向移動(dòng)。

作光路圖如圖３所示。由光路圖可以推斷，按照設(shè)定情況，當(dāng)人行走在Ｂ區(qū)域時(shí)才能看到積水發(fā)亮；當(dāng)人行走在Ａ、Ｃ區(qū)域時(shí)，則看到積水發(fā)暗。基于光路圖可以推斷，當(dāng)月光與地面夾角發(fā)生變化，不為４５°時(shí)，Ａ、Ｃ區(qū)域仍將存在。

通過光路圖推理，得到結(jié)論：迎著月亮看前方積水，積水發(fā)亮還是發(fā)暗跟月亮與地面夾角和人距離水潭遠(yuǎn)近有關(guān)，發(fā)暗、發(fā)亮都有可能。

２ 模擬法科學(xué)論證

２．１ 模擬器材選擇和相對(duì)位置設(shè)定

設(shè)定人眼距離地面１．５ ｍ，積水寬度為１ ｍ，人距離積水０．５ m。

選取直徑為８ cm的發(fā)光小球?yàn)槟M月球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中要保證觀察者看月球和模擬月球的視角一樣。如圖４所示，Ｏ點(diǎn)為人所處位置，Ｄ１為月球直徑，Ｌ１為月地距離；Ｄ２為模擬球的直徑，Ｌ２為模擬球距觀察者的距離。為了保證視角一樣，必須讓Ｌ１／Ｄ１＝Ｌ２／Ｄ２。經(jīng)查詢，月球直徑約為３４７６．２８ km，月地距離在３５．７萬～３９．９萬公里之間變化，在模擬實(shí)驗(yàn)中取月地距離為３８萬公里，Ｌ１／Ｄ１＝１０９，由Ｌ１／Ｄ１＝Ｌ２／Ｄ２算得觀察者距小球的直線距離大約為８ m。

選取手機(jī)攝像頭模擬人的眼睛。選在晚上光線較暗時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖５）。

２．２ 模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)論證

情況一論證 人不動(dòng)，月亮相對(duì)位置發(fā)生變化（模型如圖２）。

觀察者（手機(jī)）距小球的直線距離為８ m，小球與地面夾角為４５°時(shí)，小球距地面高度約為６ m；當(dāng)小球與地面夾角為７１．６°時(shí)，小球距地面高度約為６ m。實(shí)驗(yàn)記錄如表１所示。

情況二論證 月亮不動(dòng)（取光與地面夾角為４５°），人向著積水方向移動(dòng)（模型如圖３）。實(shí)驗(yàn)記錄如表２所示。

３ 結(jié) 論

得到一個(gè)結(jié)論需要無數(shù)個(gè)例子，而駁倒一個(gè)結(jié)論只需要一個(gè)反例。上述的具體分析和實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)定一個(gè)符合常識(shí)的模型數(shù)據(jù)，計(jì)算確定模擬球的位置，對(duì)“迎著月光走，地上發(fā)亮的是水”這種說法提出了實(shí)際反例，論證了教科書和很多習(xí)題中有關(guān)此問題的答案都是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。多年來，老師們常常讓“正確答案”先入為主，并用鏡面反射來解釋此“正確答案”，對(duì)答案是否嚴(yán)謹(jǐn)并未進(jìn)行質(zhì)疑。作為物理老師，要能發(fā)現(xiàn)問題，要求真求證，不唯答案論，讓我們的教學(xué)更加嚴(yán)謹(jǐn)，達(dá)到學(xué)科育人求真的目的。

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，２０１２：７３-７６.

（欄目編輯 蔣小平）