“光的折射”教學設計思路及案例

譚慶仁

(鎮江市教育局教研室 江蘇 鎮江 212000)

周小奮

(鎮江市第四中學 江蘇 鎮江 212000)

在2012年江蘇省初中物理優課評比活動中，筆者之一執教的課題是“光的折射”．這節課在實驗的可視化和大型化上準備充分，并能有效地創設問題情境，引領學生解決其在“最近發展區”上的認識誤區，最終獲得了該課題組一等獎．今呈現其教學設計思路及本課案例并進行點評，以供大家探討．

1 教學設計思路

1.1 內容及其教育價值是什么

(1)“光的折射”是初中光學核心現象之一，它對于“透鏡”等后續知識的學習，起著關鍵的作用．

(2)“光的折射”的學習過程，是一個典型的物理知識的建構過程，其中蘊含著豐富的物理思想和方法．讓學生經歷這樣的過程，將有助于提高他們的物理學科素養．

1.2 與其他教學內容的聯系

(1)知識內容(承上啟下).

(2)思想方法(一脈相承).

圖1 與其他教學內容的聯系框圖

1.3 可能的困難

(1)概念抽象

光的折射現象雖常見，但是由于無法直接看見光的傳播路徑，因此學生很難從日常生活中的常見折射現象中提煉出光的折射規律．

(2)知識綜合

光的折射特點比光的直線傳播、光的反射復雜，對學生的知識概括能力、邏輯思維能力提出了更高的要求．

1.4 教學策略

(1)教學思路

(2)教學方式：探究學習

圖2 教學方式框圖

教學策略一：實驗感知，豐富物理表象

演示實驗：光學“黑盒”使入射光線平移，光學“黑盒”對光發生了怎樣的作用？

演示實驗：引光入“井底”，得到光的折射規律．

學生實驗：定性探究光線通過玻璃磚的折射特點．

演示實驗：光線被“吹沒了”，引起學生的思維興趣．

演示實驗：“水磚”實驗驗證學生的理論推導．

演示實驗：光垂直入射時，折射角的大?。?/p>

演示實驗：入射角增大時，折射角的變化情況．

演示實驗：硬幣“浮起”，引入光的折射特點的應用．

教學策略二：問題導引，設置認知臺階

問題1：光學“黑盒”對光發生了怎樣的作用？

光線通過玻璃磚被整體平移——光沒有沿直線傳播(光路改變)．

問題2：如何將照射到容器側壁上的光引入容器底部？

方法1：光的反射——用平面鏡改變光路.

方法2：光的折射——加水來改變光路．

問題3：玻璃磚中有沒有光線？

學生的光路圖中缺少玻璃磚中的那部分，幾乎所有學生都認為“看不見玻璃磚中的光線，所以其中沒有光線”．通過演示實驗：光線被“吹沒了”——讓學生了解“看不見”不等于“沒有”．

問題4：如何畫出玻璃磚中的光線？

知識基礎：(1)玻璃磚的左右兩側有入射點和出射點．

(2)光在均勻介質中沿直線傳播．

畫玻璃磚中光線的方法——直接連接入射點和出射點．

問題5：根據光路圖，對照光的反射，請歸納出光通過玻璃磚時的折射特點．

分為光從空氣斜射入玻璃中和光從玻璃斜射到空氣中兩種情況分別歸納——歸納要注意全面性．

問題6：碗中加水后，看見的硬幣在什么地方？

硬幣原來被磁鐵吸引在碗底，人眼看不見．加水后硬幣“上浮”，重新被看見．看見的硬幣在哪兒？由于還沒有折射成像的知識，學生會認為看見的“硬幣”還在原來的位置——折射也能成像，看見的硬幣在真實硬幣的上方．

2 教學案例

2.1 設疑引入

演示實驗：光的直線傳播．

師：這是什么現象？

生：光在均勻介質中沿直線傳播．

圖3

師：這是一個光學器件(展示被封裝好的玻璃磚，相當于光學黑盒)，老師將這個光學設備放在光的傳播路徑上，請同學們觀察光通過光學器件后傳播路徑如何改變？(效果如圖3，其中的標志線事先在光學黑盒外側畫好，使入射光線與標志線在一條直線上)．

生：偏折了．

師：向哪兒偏折？

生：向右(向上)．

師：這光學器件是什么？它對光線又會發生怎樣的作用，這些都是本節課要研究的問題．

點評：

通過光學黑箱呈現學生沒有見到過的光學現象，起到了設疑的作用，從而激發了學生學習的興趣.

2.2 新課教學

師：經過調整，使光線射到了容器側壁上，請問同學們有沒有辦法讓射到側壁的光線偏折到容器底部？

生：加水．

師：加水時請同學們注意觀察.

(1)水槽側壁光斑的位置是否發生變化；

(2)光線由空氣斜射入水中時，方向是否發生偏折．

圖4

教師演示(效果如圖4所示)，指出這就是光的折射現象并介紹“三線兩角”．

點評：本演示實驗所采用的強激光增強了實驗的可視度，效果非常明顯.

師：開始老師展示的光學器件使光發生了什么？

生：折射．

教師打開光學器件外殼，展示玻璃磚并介紹其為長方體，相對面彼此平行．

點評：打開黑箱揭開迷底，進一步激發學生刨根問底的愿望.

師：同學們想不想研究光通過玻璃磚時會發生什么？

生：想．

師：桌上有玻璃磚、激光筆和一張白紙．要研究光通過玻璃磚的現象應該先做什么？

生：畫光路圖．

師：對，我們首先應畫出玻璃磚的位置．當激光斜射向玻璃磚時，如何畫出光線？

生：在紙上點兩點，因為兩點確定一條直線．

師：正確．在實驗中請注意：激光請勿入眼！

學生分組實驗(4 min)．

展示學生畫出的光路圖(圖5)．

圖5

點評：進行分組實驗時，教師并沒有明確為什么要做這樣的實驗，從而為下面光的折射規律的動態生成奠定了基礎，可謂水到渠成！

師：那光在玻璃磚中是如何傳播的呢？

師：如何畫出玻璃磚中的光線呢？

生：直接連接入射點和出射點，因為光在均勻介質中沿直線傳播．

師：請同學們完成光路圖．

展示學生所畫的光路圖[如圖6(a)]．

點評：學生所做實驗時，并沒有看到玻璃的光線，教師通過理論探究得到了原本看不到的那一條玻璃磚中的光線.

圖6

師：我們利用所學知識推導出了光的傳播路徑，實際是否真的這樣呢？請同學們觀察．

演示實驗：光線通過水磚時的偏折現象[如圖6(b)].

師：畫出的光路圖與看到的實驗現象是否一致？

生：一致．

師：光的折射有三線兩角，請大家補充完整．

展示學生所畫的光路圖并評價．

師：通過光路圖，同學們發現光發生了幾次折射？

生：兩次．

師：在圖中同學們看見了幾條光線？

生：3條．

師：兩次折射不是有4條光線么，為什么只有3條？

生：第一次的折射光線就是第二次的入射光線，重合了．

師：很好．

點評：光靠理論探究還不夠，教師用光通過“水磚”(類比玻璃磚)的實驗清晰的看到了光在水中的光路，從而證實了上述理論探究的結果！

教師通過課件展示圖7

圖7

師：這是什么現象？

生：光的反射．

師：請同學們齊聲背誦“光的反射定律”．

生：……(省略)．

點評：光從空氣進入介質和從介質進入空氣兩種光學傳播途徑在玻璃磚實驗中得到了淋漓盡致的體現.所以，引導學生準確地畫出光通過玻璃磚的光路圖是一個難點，也是一個重點.

師：請同學們對照 “光的反射定律” 并根據光通過玻璃(水)磚時的光路圖[圖6(b)]小結光的折射特點．

生：光折射時，折射光線、入射光線、法線在同一平面內；

師(評價)：同學們剛才是在水平桌面上完成實驗的，所畫出的折射光線、入射光線法線本應共面．

生：折射光線、入射光線分別位于法線兩側；

師：在光路圖中可以看出這個特點．

生：折射角小于入射角．

師：光線通過玻璃磚時發生了幾次折射？

生：兩次．

師：你覺得這兩次折射時，折射角和入射角大小關系一樣么？

生：不同，第一次入射角大，第二次折射角大．

點評：類比于光的反射定律，引導學生得到折射規律，有利于學生在歸納折射規律時不至于太發散.

師：所以，光通過玻璃磚時的折射特點分為兩種．光從空氣斜射到玻璃(水)中，折射角小與入射角；光從玻璃(水)中斜射到空氣中，折射角大于入射角．

點評：光通過玻璃磚發生了兩次折射，弄清兩次折射的入射角和折射角是一個重點內容，教師的正確引導非常重要！

師：在光路圖中(圖6)，還可以發現什么特點？

生：……(答不出)．

師：請同學們延長最初的入射光線，發現了什么？

生：哦，最后的折射光線與最初的入射光線平行．

投影展示光的折射特點，學生整理．

師：剛才咱們研究的都是光線怎么入射？

生：斜射．

師：還有什么入射？

生：垂直入射．

課件展示入射光線與分界面垂直．

師：現在的入射角是多少度？

生：零度．

演示光線從空氣垂直入射到水中．

師：折射光線有沒有改變方向？

生：沒有．

師：折射角是多少度？

生：零度．

師：我想讓入射角增大，哪位同學上臺試試？

學生演示：入射角增大(即激光筆越來越傾斜)．

師：做得很好，老師再演示一遍，請同學們注意觀察，入射角增大時，折射角如何變化．

生：……(答不出)．

師：主要是受到入射光線的影響，不易看出折射角的變化，最好讓入射光線消失，如何才能讓入射光線消失？

生：(齊聲回答)吹氣．

師：對，關閉霧化器，將容器中的水霧吹去．

演示實驗：吹去水霧后，增大入射角，觀察折射角的變化情況(由于只剩折射光線，所以很容易看出折射角的大小變化)．

生：入射角增大時，折射角增大．

投影光的折射特點并進行小結．

點評：教材之所以選擇玻璃磚作為學生分組探究實驗的器材，是因為該實驗的可控性、可操作性和體現折射規律的全面性。吃透教材的用意是用好教材的關鍵！

師：老師帶來了一枚硬幣和一個小碗，請同學們檢查有沒有問題(學生檢查不出問題)．硬幣放入碗中后將碗倒置，硬幣為什么掉不下來？

生：……有水．

師：剛才同學們已經檢查過了，沒有水．

生：吸鐵石！

師：對！老師在碗的背面偷偷放了一枚吸鐵石，也就是說硬幣的位置不會輕易改變．

演示：將碗放在實物投影儀上，調整至正好看不見硬幣．

師：為何看不見硬幣？

生：光沿直線傳播．

演示：加水后硬幣再現．

師：請同學們畫出人眼看見硬幣的光路圖．

展示學生所畫光路圖(圖8)．

圖8

師：第一幅圖[圖8(a)]是否正確？

生：錯誤，光從水中斜射入空氣中，折射角應大于入射角．

師：第二幅圖[圖8(b)]是否正確？

生：錯誤，人眼看見硬幣應該是光射入人眼．

師：所以正確的是第三幅圖[圖8(c)]．

師：請同學們想一想，你們看見的硬幣在哪兒？

生：在原來的位置．

課件演示：兩條折射光線大致確定硬幣的位置(如圖9)．

師：看見的硬幣位置和其實際位置相比有無變化？

生：變高了(變淺了)．

師：真正的那枚硬幣位置有沒有變化？

生：位置沒有改變，但是感覺硬幣“浮起”了．

圖9 圖10

點評：通過小魔術和生活中的折射現象的解釋，一方面再次讓課堂達到高潮，另一方面也讓學生體驗到了光的折射規律在生活中的應用無處不在.

課件展示(如圖10)

師：哪條魚是真正的魚，哪條魚是看見的魚？

生：上方的魚是看見的魚，下方的魚是真正的魚．

師：如果你是漁夫，應該將魚叉投擲在什么地方？

生：投擲向看見魚的下方．

課件展示(唐詩；儲光羲 釣魚灣)，學生齊聲朗讀．

師：這首詩是詩人情感的真實流露，其中有一句和光的折射有關，是哪一句？

生：“潭清疑水淺”．

師：同學們明白其中的道理了嗎？

生：我們看見的池底向上“浮起了”，所以說“潭清疑水淺”．

課件展示(圖11)

圖11

師：這是課本上的一幅圖，漫畫人物有沒有讀過“釣魚灣”這首詩？

生：沒有．

師：如果讀過，他就不敢貿然下水．請同學們注意：即使會游泳的同學在陌生水域也不能下水．

課件展示(圖12)

師：這泳池看上去深不深？

生：不深．

師：實際深度為3 m．

圖12

生：(驚訝)

師：用一句詩描述就是“潭清疑水淺”．