提升物理核心素養(yǎng)的趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索
——以“光的反射”為例

楊金彭 肖 艷

（1.揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州江都區(qū)仙女鎮(zhèn)張綱中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225211）

在中學(xué)物理教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié).通過相關(guān)的物理知識(shí)聯(lián)系和分析生活中所看到的物理現(xiàn)象可以極大地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的熱情，［1-3］在落實(shí)“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”的物理核心素養(yǎng)內(nèi)涵培養(yǎng)方面有著獨(dú)特的作用和價(jià)值.本文介紹了一種生活化的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，其原理主要涉及光的反射和衍射，利用生活中廣泛使用的手機(jī)屏幕作為“理想”的平面鏡來探討光的反射現(xiàn)象，研究通過手機(jī)屏幕反射的光斑特征，一方面讓學(xué)生能夠更好地理解光的反射和衍射原理，另一方面可以拓展學(xué)生的科學(xué)興趣，提升他們的科學(xué)思維，培養(yǎng)他們的科學(xué)探索本領(lǐng).此外，也可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示資源，供廣大教師在物理教學(xué)中參考和借鑒.

1 現(xiàn)象介紹

使用紅色的激光筆，將一束激光（平行光，波長(zhǎng)大小為650nm）照射在手機(jī)屏幕上（iPhone7），由于手機(jī)屏幕的反光特性，會(huì)出現(xiàn)鏡面反射現(xiàn)象.由反射定律可知光在空氣中沿直線傳播發(fā)生鏡面反射時(shí)，反射角等于入射角.圖1（a）中可以直接看到入射的光線經(jīng)過手機(jī)屏幕的反射之后出射光線與法線成的角度為40°，與入射角度基本一致，滿足光的反射定律.然而有趣的是，如果我們進(jìn)一步觀察反射光線入射到墻面上所形成的光斑形狀［圖1（b）所示］，會(huì)發(fā)現(xiàn)其形狀并不是簡(jiǎn)單的圓形光斑（類似于入射的激光筆光源形狀）而是出現(xiàn)了明顯規(guī)則排列的衍射亮點(diǎn)陣列.利用鏡面反射的知識(shí)，我們知道如果入射的光線是平行光，經(jīng)過鏡面反射之后也應(yīng)該出現(xiàn)平行光，光斑的大小只與出射光線與屏幕所形成的夾角有關(guān).進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們使用綠色激光筆來代替紅色激光筆時(shí)，我們?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)明顯的綠色衍射亮點(diǎn)陣列［圖1（c）所示］.因此，在墻面上所形成的衍射亮點(diǎn)陣列應(yīng)該只與手機(jī)屏幕的結(jié)構(gòu)有關(guān).

圖1

通過網(wǎng)上調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)的手機(jī)屏幕種類主要分為兩類：一類是以使用液晶（LCD）顯示技術(shù)的屏幕；另一類是使用有機(jī)發(fā)光（OLED）顯示技術(shù)的屏幕.因而進(jìn)一步我們選取了市場(chǎng)上這兩種不同類型的屏幕（iPhone7的屏幕為L(zhǎng)CD，而華為P40的手機(jī)屏幕是OLED）來研究反射光斑的特點(diǎn).圖2給出了利用這兩種不同類型的顯示屏作為鏡面獲得的不同排列的光斑陣列詳細(xì)分布圖.圖2（a）中除了可以直觀的看到反射光最強(qiáng)的斑點(diǎn)之外，成長(zhǎng)方形規(guī)則排列的點(diǎn)陣列清晰可見.另一方面，對(duì)于OLED顯示屏而言，呈現(xiàn)平行四邊形規(guī)則排列的亮點(diǎn)陣列清晰可見，反射最亮的光斑相比于LCD顯示屏而言更為精細(xì).

圖2

2 現(xiàn)象解釋

對(duì)于反射光斑中存在的呈現(xiàn)矩陣排列的亮點(diǎn)，筆者首先利用數(shù)碼顯微鏡放大觀察了這兩種屏幕的結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示.在一定的放大倍數(shù)下，我們可以直觀地分辨出顯示屏上的像素排布特點(diǎn)（LCD中每個(gè)小的矩形塊為像素，OLED中每個(gè)長(zhǎng)條和小點(diǎn)都為像素）.LCD顯示屏上像素的排布成矩形排布，像素之間上下距離看的很清楚，它們之間的排布如圖3（a）中的插圖所示.而華為P40的OLED顯示屏中像素排布明顯存在著不同：一方面，像素的排列方式呈現(xiàn)平行四邊形排布，上一排的像素與下一排的像素存在著明顯的錯(cuò)位；另一方面每一排的像素排布中綠色小像素是分成了上下兩個(gè)小點(diǎn)，而紅色和藍(lán)色像素成長(zhǎng)條形.通過查閱該類型顯示屏的說明書，這種排布類型被稱為“周冬雨”排列，示意圖如圖3（b）中的插圖所示.從這兩種不同類型的顯示屏實(shí)物圖中可以看出，平行光經(jīng)過這些規(guī)則排列的像素小點(diǎn)，反射的光斑會(huì)明顯呈現(xiàn)出“光的衍射”效應(yīng)；矩陣排列的亮點(diǎn)揭示著顯示屏上像素排布的規(guī)則和類型，如經(jīng)過矩形排布像素反射的光斑呈現(xiàn)矩形的陣列，而錯(cuò)位排布的OLED像素反射的光斑呈現(xiàn)出平行四邊形陣列.

圖3

使用的激光筆發(fā)射出的光源其方向性較好，根據(jù)幾何和波動(dòng)光學(xué)的知識(shí)可知，當(dāng)一束激光照射到有規(guī)則排布的“反射鏡面陣列”上的時(shí)候，除了會(huì)發(fā)生光的反射之外，還會(huì)出現(xiàn)光的衍射現(xiàn)象.在實(shí)驗(yàn)中所看到情況的確也證實(shí)了這兩種現(xiàn)象的存在：最亮的、較大的光斑的確驗(yàn)證了鏡面反射定律；而其他規(guī)則排列的亮點(diǎn)陣列也意味著光的衍射不可避免.利用光的衍射［如圖4（a）所示］中的反射光柵方程，當(dāng)平行光照射到反射光柵上，反射的光之間由于存在著干涉現(xiàn)象，其光強(qiáng)的分布位置滿足d（sinθ-sinθ0）=mλ，其中d為光柵常數(shù)（實(shí)驗(yàn)中代表這像素之間相鄰的間隔），θ0為入射角，θ為出射角，m為衍射級(jí)數(shù).圖4（b）中給出了考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的三維特性，相應(yīng)地畫出了在實(shí)際空間中存在的光的衍射陣列示意圖：圖中W代表墻面到屏幕入射點(diǎn)的距離，實(shí)驗(yàn)中為33cm［圖1（b）所示］；H0代表手機(jī)屏幕到出射光斑的垂直距離；h為衍射點(diǎn)的上下間隔；Δw為衍射點(diǎn)的左右間隔；θud為衍射點(diǎn)上下方向上的出射角；θlr為衍射點(diǎn)左右方向上的出射角.根據(jù)方程（1），我們可以計(jì)算手機(jī)屏幕像素之間沿著入射方

圖4

向上的距離間隔d1為

而手機(jī)像素在前后方向上的距離間隔d2為

利用表達(dá)式（1）和 （2），計(jì)算得到 LCD 和OLED顯示屏每個(gè)像素在沿光線入射方向和垂直于入射方向之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1 不同類型手機(jī)屏幕所測(cè)的數(shù)據(jù)與報(bào)道的數(shù)據(jù)對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們可以得到以下結(jié)論：（1）所測(cè)量得到的像素間隔與網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際報(bào)道的數(shù)據(jù)基本吻合；（2）測(cè)得的像素間隔都略大于實(shí)際報(bào)道的像素間隔，主要是因?yàn)槊總€(gè)像素之間還是存在著一定的縫隙，如圖3所示；（3）OLED手機(jī)屏的像素排布明顯要密集于LCD手機(jī)屏，這也是為什么使用OLED手機(jī)屏的觀看效果要好于LCD的原因.由于OLED顯示屏上面的像素排布并不是垂直于入射方向，因而我們?cè)谶@里不考慮計(jì)算其d1的大小.

3 教學(xué)運(yùn)用與探究

基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)思維”主要包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.通過光學(xué)反射現(xiàn)象的趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入和演示，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光反射概念的掌握和對(duì)光反射知識(shí)的運(yùn)用，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生遷移、拓展科學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用歸納與演繹推理方法解決生活中的實(shí)際物理問題.對(duì)于光的反射教學(xué)過程中，具體表現(xiàn)在如下4點(diǎn).

（1）課堂中使用的激光筆照射在普通的鏡面上，直接能夠展示出光反射的物理現(xiàn)象，通過對(duì)入射光和反射光的角度觀測(cè)，歸納出反射定律，實(shí)現(xiàn)光反射的物理定律掌握.

（2）利用激光筆照射在手機(jī)屏幕上，除了演示出光反射的現(xiàn)象外，還能夠展示“額外”的衍射亮點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生自我提出問題，衍射亮點(diǎn)的來源于哪里？

（3）通過對(duì)比普通鏡面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和利用不同手機(jī)屏幕來觀察衍射圖案，引導(dǎo)學(xué)生推理出“額外”衍射亮點(diǎn)的來源應(yīng)該與手機(jī)屏幕的結(jié)構(gòu)有關(guān).

（4）結(jié)合網(wǎng)上調(diào)研和屏幕微觀結(jié)構(gòu)的展示，引出微小結(jié)構(gòu)的“小鏡面-像素”陣列可以實(shí)現(xiàn)反射光斑出現(xiàn)衍射圖案，引起學(xué)生的直接思考與質(zhì)疑，最終得出光的傳輸具有波動(dòng)性.

此外，科學(xué)探究是學(xué)生認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象、研究物理規(guī)律的重要手段.在物理課堂中開展趣味物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于全面提高學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要意義.“生活化”的趣味光反射實(shí)驗(yàn)的引入，能讓學(xué)生在高度專注的課堂狀態(tài)下，深入理解光反射的物理概念和反射定律，同時(shí)還能夠引導(dǎo)學(xué)生探究出光傳輸?shù)奶匦圆粌H僅是直線傳輸（光的粒子性），光的傳輸還可以類比于“波”（光的波動(dòng)性），從而激發(fā)學(xué)生在對(duì)于光傳輸?shù)摹邦~外亮點(diǎn)”的相關(guān)物理知識(shí)學(xué)習(xí)和探索.這樣有助于學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，其具體表現(xiàn)在如下幾點(diǎn).

（1）問題的引入，直線傳輸?shù)墓?，?duì)應(yīng)的光斑為什么會(huì)出現(xiàn)衍射陣列？

（3）結(jié)合光柵方程，解釋衍射光斑圖形與屏幕像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，理解二維光柵的概念、光傳輸?shù)牟▌?dòng)性.

（4）拓展學(xué)生自主探討不同類型的手機(jī)屏幕與衍射光斑的關(guān)系，得出如何通過物理手段驗(yàn)證不同屏幕之間像素的疏密和排布等性質(zhì).

4 歸納總結(jié)

筆者在基于中學(xué)物理知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)光的反射所形成的光斑呈現(xiàn)矩陣排列的亮點(diǎn)形成的原理做了簡(jiǎn)單的分析，利用光的反射和衍射知識(shí)進(jìn)行了定性的理解，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了計(jì)算，揭示了手機(jī)顯示屏內(nèi)部的像素分布結(jié)構(gòu)和其像素排列的間隔，其結(jié)果與理論分析基本一致.相比于傳統(tǒng)的光的反射實(shí)驗(yàn)，利用生活中的常見物品展現(xiàn)并拓展相關(guān)的物理知識(shí)，本實(shí)驗(yàn)更具有趣味性，不僅僅是教師可以在課堂上直接展示，學(xué)生在家庭里也可以進(jìn)行自主探索，因而既豐富了教學(xué)內(nèi)容，也提升了學(xué)生的“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”能力.當(dāng)然，教師也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究，例如，考慮不同距離、不同入射角度探索光的反射和衍射帶來的亮點(diǎn)陣列的演變.最后，通過學(xué)習(xí)書本中的物理知識(shí)，結(jié)合現(xiàn)代社會(huì)中的“虛擬化”、“數(shù)字化”平臺(tái)的載體-智能手機(jī)，希望能夠讓生活化的物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)生提升科學(xué)思維能力、增強(qiáng)科學(xué)探究能力方面充分發(fā)揮其特色優(yōu)勢(shì).