光的反射定律的立體實驗觀測

文亞龍 馬昭

摘? 要：探究光的反射定律是初中學生最早接觸到的探究性實驗之一。教材中相關的實驗設計存在一些不足，使學生學習中缺少知識生成的過程。通過自制的旋轉圓盤反射演示儀讓學生能從多角度立體觀察實驗現(xiàn)象，完善知識構建過程，為形成物理觀念奠定基礎。

關鍵詞：光的反射;旋轉圓盤反射演示儀;立體實驗觀測

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0047-3

實驗探究能夠幫助學生在基于實驗觀察的基礎上建構物理概念，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，理解物理知識，是物理教學的重要組成部分，也是發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的重要手段。但是，教材中部分實驗設計、實驗器材還存在一些不合理之處，沒有考慮到學生作為初學者容易遇到的思維障礙。為了完成學習目標，學生不得不去死記硬背最終的實驗結論。因此，在教學過程中需要創(chuàng)新實驗來激發(fā)學生的認知需求，重塑知識生成的過程。筆者所在學校備課組對人教版教材中“探究光的反射定律”實驗的設計方案進行了分析，對該實驗方案進行了優(yōu)化與創(chuàng)新，并在平常的教學活動和優(yōu)質課比賽中進行了實踐，效果不錯。

1? ? 教材實驗的優(yōu)缺點

教材中的實驗設計具有器材簡單、步驟簡潔等優(yōu)點。但在教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)該設計仍存在以下不足：

（1）教材中利用紙板顯示光路，在實際實驗操作中需要光線緊貼著紙板才能在紙板上同時觀察到入射光線和反射光線。這一操作不易控制和調節(jié)，使得紙板上顯示的光線時有時無，現(xiàn)象不夠明顯。

（2）為了多次測量，需要換用不同顏色的筆記錄每束光的徑跡，再取下紙板，用量角器測量角度，記錄數(shù)據(jù)。操作繁瑣，不夠方便。

（3）在探究三線共面時，向后折紙板，在后折的紙板上沒有呈現(xiàn)反射光線，從而證明入射光線和反射光線不在這兩個平面上，進而間接證明入射光線和反射光線在同一個平面內。但將紙板后折之后，由于無法直觀觀察到反射光線，從而學生容易產生迷惑——反射光線到底去哪里了？消失了嗎？初中生正處于具體形象思維向抽象思維發(fā)展的初始階段，需提供感性材料，才能與直接經驗建立聯(lián)系。若用間接證明法，學生思維難度過大，容易給學生制造思維障礙。

（4）教材的實驗探究，我們觀察到的光線只是呈現(xiàn)在紙板這一直觀的平面上，學生無法多角度、全方位地觀察整個空間中的光線情況。因為課堂上學生座位固定，只能觀察到單一平面的光線，會使大多位置的學生觀察效果不好，從而使他們缺乏對立體光路的感知。

2? ? 利用自制器材進行實驗改進

2.1? ? 實驗器材

自制帶支架的旋轉圓盤、激光筆（四支）、平面鏡、量角器、加濕器。

2.2? ? 實驗步驟

（1）將自制帶支架的旋轉圓盤放在水平桌面上;將小平面鏡放在圓盤正中央，將一只激光筆夾在平面鏡正上方的夾子上;將其余三只激光筆依次夾在旁邊的支架上;將量角器豎直固定在激光筆后方，并與激光筆所在平面平行（圖1）。

（2）接通加濕器的電源，待水霧連續(xù)噴出形成“煙霧繚繞”的環(huán)境時，打開一號激光筆，這時通過水霧呈現(xiàn)真實的入射光線和反射光線（圖2）。

（3）通過旋轉圓盤，使不同方位的學生即使在自己固定的座位上也能發(fā)現(xiàn)反射光線和入射光線總是呈現(xiàn)“你前我后，你左我右”的狀態(tài)。此時，打開正上方的激光筆，發(fā)出的紅光通過水霧豎直射到平面鏡上，調整其紅色光和一號激光筆的紅色光在鏡面的交點重合，這時引導學生觀察入射光線和反射光線分居在豎線兩側（圖3），提出法線的概念，引導學生發(fā)現(xiàn)“兩線分居”的規(guī)律。

（4）不停地旋轉圓盤，使學生坐在固定的座位上可以從多個角度進行觀察，當圓盤旋轉到某一角度，剛好從光線側面觀察時，可以看到三條線重合，引導學生發(fā)現(xiàn)“三線共面”的規(guī)律（圖4）。

（5）依次打開1號、2號激光筆，重復第3、4步驟，尋求普遍規(guī)律。

（6）觀察三組入射光線和反射光線，引導學生發(fā)現(xiàn)反射光線和入射光線可能是關于法線成軸對稱，提出入射角和反射角的概念。通過量角器連續(xù)讀出三組入射角和反射角的大小并記錄，最終由學生得到“兩角相等”的結論（圖5）。

2.3? ? 改進實驗的優(yōu)點和功能

（1）利用自制的教具以及加濕器，將光路具體化且立體化，直接呈現(xiàn)光路，相比于用紙板呈現(xiàn)光路更加明顯和穩(wěn)定。

（2）同時使用三只激光筆發(fā)射入射光線，經反射后可以在水霧中清晰地觀察到三條反射光線，并可通過后方固定的量角器直接比較兩角的大小，從而使實驗更具連續(xù)性和普遍性。

（3）利用自制的旋轉圓盤，學生即使坐在固定的座位上也能從多個角度進行觀察，當從光線側面觀察時，教室里所有的學生都可以看到三條線重合，即可發(fā)現(xiàn)三線共面的規(guī)律。從間接證明過渡到直觀的現(xiàn)象觀察，也更加符合初中學生的認知特征，才能解開學生思維上的困惑，幫助學生更加直觀、深刻地理解入射光線、反射光線、法線為什么在同一平面上，課堂教學達到事半功倍的效果。

（4）該實驗改進將教材中紙板上的二維光路呈現(xiàn)在三維立體空間中，使實驗現(xiàn)象更加直觀、形象，使探究更具科學性。

3? ? 小? 結

本實驗改進的靈感來源于2017年江蘇泰州的中考試題（圖6），我們對于考題的利用往往局限于解題訓練，而其中顯性或隱性蘊藏的實驗教學契機卻往往被我們忽略了。將中考實驗試題轉化為教學資源，是開發(fā)物理實驗教學資源的重要策略。

在自制（改進）實驗教具時，需要圍繞實驗教學內涵和外延的要素開展，需要把握住使操作更方便、現(xiàn)象更清楚、結果更準確的自制（改進）教具的宗旨，并把實際情況與科學知識密切結合，從而在基于實驗的基礎上發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]文亞龍.對阿基米德原理實驗幾種改進的實踐[J].湖南中學物理， 2020（06）：55-56+85.

[2]文亞龍，王安民.將中考試題轉化為實驗教學資源的實踐[J].中學物理教學參考， 2017，48（08）：7-10.

[3]曹鍵糧，彭朝陽，朱興磊.利用自制加濕噴霧器改進“光的反射”相關實驗[J].物理通報，2019（04）：69-72.

（欄目編輯? ? 王柏廬）