一個(gè)改進(jìn)的“光的折射”實(shí)驗(yàn)及由其展開的教學(xué)設(shè)計(jì)

徐瑞璟

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

張航凡 王 倩 黃 敏

(四川成都市新都一中銘章學(xué)院 成都 610500)

趙蕓赫

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875;四川成都市新都一中銘章學(xué)院 四川 成都 610500)

一個(gè)改進(jìn)的“光的折射”實(shí)驗(yàn)及由其展開的教學(xué)設(shè)計(jì)

徐瑞璟

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

張航凡 王 倩 黃 敏

(四川成都市新都一中銘章學(xué)院 成都 610500)

趙蕓赫

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875;四川成都市新都一中銘章學(xué)院 四川 成都 610500)

本課題的教學(xué)設(shè)計(jì)是在人教版初中物理教材關(guān)于光的折射部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以更容易攜帶且折射率更大、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯的PV塑料板代替教材原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的水缸來得到光的折射的規(guī)律．并且可以由不同濃度蔗糖溶液中光線的彎曲模擬海市蜃樓的實(shí)驗(yàn)引出新課，吸引學(xué)生興趣．同時(shí)設(shè)計(jì)了供學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)來探究光的折射的規(guī)律及光路可逆的課堂部分，有助于理解記憶、激發(fā)興趣、提升學(xué)生的綜合素質(zhì)．

光的折射 光路可逆 演示實(shí)驗(yàn) 自主探究

1 前言

初中生剛接觸物理，學(xué)習(xí)興趣很廣泛,但多停留在對(duì)直接表象的認(rèn)知水平，易于被新鮮的生活、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吸引而忽略對(duì)現(xiàn)象本質(zhì)的深入認(rèn)識(shí)．因此在教學(xué)中要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，聯(lián)系生活實(shí)際培養(yǎng)學(xué)生探究物理的興趣即可．考慮到光學(xué)現(xiàn)象比較抽象，學(xué)生缺乏實(shí)際的操作經(jīng)驗(yàn)，需要教師引導(dǎo)學(xué)生自主探究得出折射規(guī)律，通過學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，感知光的折射現(xiàn)象的存在，利用學(xué)到的知識(shí)解決實(shí)際問題．

教師通過演示實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生觀察光的折射現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生自己分析、歸納光的折射規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析、歸納能力；引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的共性；通過科學(xué)探究學(xué)會(huì)依照物理事實(shí)、運(yùn)用邏輯判斷來確立物理量之間的因果關(guān)系并總結(jié)出規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)研究問題的習(xí)慣．

此外在培養(yǎng)學(xué)生深入思考問題的習(xí)慣的同時(shí)，延伸至生活中的其他物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣．通過對(duì)日常光現(xiàn)象如海市蜃樓的分析，進(jìn)行破除迷信熱愛科學(xué)的唯物主義教育．

2 教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其弊端

人教版八年級(jí)物理上冊(cè)[1]第四章第4節(jié)“光的折射”小實(shí)驗(yàn)原文如下.

圖1 圖1“光的折射”原文中的小實(shí)驗(yàn)

為了顯示光路，實(shí)驗(yàn)中通常需要在水面上方空氣中噴些煙霧，或點(diǎn)燃產(chǎn)生煙霧之類物品產(chǎn)生煙霧來散射光線，并在水中滴幾滴牛奶以產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，再借助白色塑料板利用漫反射現(xiàn)象[2]，達(dá)到清晰觀察到入射光線和折射光線的效果．

該實(shí)驗(yàn)在理論上可行，但在實(shí)際教學(xué)中弊端如下：

首先是水箱的搬運(yùn)問題，偏小的水箱學(xué)生不易觀看，能夠讓全班同學(xué)看到的大小則十分不方便攜帶，且在運(yùn)輸過程中容易打碎，造成不必要的麻煩和傷害；其次是煙霧制造的問題，煙霧容易擴(kuò)散的特性會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生很大影響，而且如果點(diǎn)燃物品產(chǎn)生煙霧則對(duì)學(xué)生和教師身體健康有害；除此之外，還有膠體的制備條件較為苛刻，使用常見的牛奶一則量不容易控制，二則牛奶自身顏色可能影響觀察．綜上所述，該實(shí)驗(yàn)并不符合演示實(shí)驗(yàn)追求簡明直觀的教學(xué)理念．

3 教學(xué)過程的創(chuàng)新與課后探究性學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)

3.1 新課引入——光線彎曲魔術(shù)

這是一個(gè)能引起學(xué)生思維沖突的實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生的已有認(rèn)知“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”出發(fā)，通過神奇現(xiàn)象“光線的彎曲”，激發(fā)學(xué)生的思考和興趣．課堂中可以接著鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)觀察到筆在水中“折斷”的現(xiàn)象，猜想發(fā)生了一種光現(xiàn)象，提高學(xué)生自主探究的欲望，繼而提出如果光從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)會(huì)怎樣的疑問．

圖2 用激光筆演示光的折射

3.2 演示實(shí)驗(yàn)——對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

基于課本中實(shí)驗(yàn)操作繁雜、器材不便、效果不盡人意，筆者在一些嘗試后得到一個(gè)較為可行的演示實(shí)驗(yàn)方法，或許能對(duì)光的折射這一內(nèi)容的教學(xué)有所幫助．所需器材有激光筆、PV塑料板、寫字板、坐標(biāo)紙．組合如圖3所示，下半部分為固定在寫字板的0.5mm厚度的PV塑料板．

圖3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)時(shí)使用激光筆沿寫字板平面照射向圓心，便于同時(shí)觀測到入射角和折射角．由于激光在寫字板表面的漫反射和在PV塑料板中的散射，光路十分清晰，如果PV塑料板切割表面足夠光滑平整還可以觀察到清晰的反射光線．調(diào)整入射角角度，則可分別得到光的折射的定義；光從空氣斜射入水中或其他介質(zhì)中時(shí)，傳播方向發(fā)生了偏折，這種現(xiàn)象叫做光的折射；光的折射規(guī)律一：光從空氣斜射入水中或其他介質(zhì)中時(shí)，折射光線向法線方向偏折，折射角小于入射角；光的折射規(guī)律二：當(dāng)光從空氣垂直入射水中或其他介質(zhì)中時(shí)，傳播方向不變；光的折射規(guī)律三：當(dāng)入射角增大時(shí)，折射角也增大．如果激光筆從下方PV塑料板方向入射則可以得到光路可逆的結(jié)論．

圖4 演示實(shí)驗(yàn)

由上述內(nèi)容可以看出，本裝置現(xiàn)象明顯、制作簡單、攜帶方便、不易損壞、可行度高，大大提高了上課效率．

3.3 探究性實(shí)驗(yàn)——概念的深入理解

學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材為裝了一半糖水的飲料瓶、小功率激光筆、火柴、廢紙、記錄表．學(xué)生兩人一組合作自主實(shí)驗(yàn)探究過程中，通過完成表格和記錄光路，深化理解光的折射的定義及規(guī)律，并探究得到光路可逆的結(jié)論．實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示．

(a) (b)

實(shí)驗(yàn)過程先將廢紙卷成細(xì)紙條，用火柴點(diǎn)燃，伸入飲料瓶瓶口，一手遮擋住空隙以減少煙霧外擴(kuò)，十?dāng)?shù)秒后看到煙霧充滿瓶子剩余空間，直接用糖水熄滅紙條并取出，迅速擰緊瓶蓋．然后橫放飲料瓶，用激光筆從一側(cè)介質(zhì)照向另一側(cè)介質(zhì)并調(diào)節(jié)角度和方向，圖5(a)激光從飲料瓶左下方入射，圖5(b)激光從右上方入射，觀察并記錄現(xiàn)象，畫出有代表性的光路并完善表1．

表1 觀察并記錄

通過自主探究，除了鍛煉學(xué)生的動(dòng)手、合作的能力，還提高了學(xué)生深入思考、概括歸納能力．教學(xué)實(shí)施過程中教師需加以引導(dǎo)和總結(jié)，師生共同完成光的折射的規(guī)律的探究．

4 總結(jié)與展望

本著物理源于生活的設(shè)計(jì)原則，由學(xué)生已有的認(rèn)知“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”出發(fā)，通過魔術(shù)“彎曲的光”，激發(fā)學(xué)生的思考和興趣，接著鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)觀察到筆在水中“折斷”的現(xiàn)象，猜想發(fā)生了一種光現(xiàn)象，提高學(xué)生自主探究的欲望．進(jìn)而通過觀察光從空氣進(jìn)入PV塑料板的光路的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，光從空氣斜射入水中或其他介質(zhì)中時(shí)，傳播方向發(fā)生了偏折，由此初步滲透光的折射的定義；并且在入射角增大和減小時(shí)，折射角隨之增大或減?。?/p>

在硬件方面，隨著課堂實(shí)驗(yàn)的普及，有條件的學(xué)?？梢灾苽湟粋€(gè)班的數(shù)量的激光筆便于探究實(shí)驗(yàn)的展開，課堂中加入讓學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的部分，一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，另一方面通過科學(xué)探究學(xué)會(huì)依照物理事實(shí)、運(yùn)用邏輯判斷來確立物理量之間的因果關(guān)系并總結(jié)出規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)研究問題的習(xí)慣．

總體而言整個(gè)教學(xué)過程啟發(fā)引導(dǎo)的模式貫穿課堂始終，有助于學(xué)生對(duì)物理概念的理解．教學(xué)過程注重學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備和接受能力以及思維方法，實(shí)驗(yàn)探究中學(xué)生為主體教師為主導(dǎo)．最后，從物理走向生活，用光的折射規(guī)律解釋實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)由感性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)換為物理規(guī)律的過程，讓學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)相結(jié)合．

AnImprovedExperimentofLightRefractionandItsExpansionofInstructionalDesign

XuRuijingZhangHangfanWangQianHuangMinZhaoYunhe

(DepartmentofPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875)

ZhangHangfanWangQianHuangMin

(MingzhangInstitutionofXinduNo.1MiddleSchool,SichuanProvinceChengdu610500)

ZhaoYunhe

(DepartmentofPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875;MingzhangInstitutionofXinduNo.1MiddleSchool,Chengdu，Sichuan610500)

The teaching design of this subject is based on the refraction of light in the physics textbook of junior middle school of People's Education Press. The PV plastic plate, which is easier to carry and has higher refractive index and more obvious experimental phenomena, and replaces original experimental design in the textbook which using a water tank to get the law of refraction of light. And theconcentrationofdifferent sucrose solution for the simulationof mirage experiment is used to begin a new class to attract students. At the same time, it is designed for students to study the law of refraction of light and the reversible part of the optical path, which is helpful to understand, memorize, stimulate the interest and improve the students' comprehensive quality.

refraction of light;reversible optical path;demonstration experiment

2016-09-11)