一個改進的“光的折射”實驗及由其展開的教學設計

徐瑞璟

(北京師范大學物理學系 北京 100875)

張航凡 王 倩 黃 敏

(四川成都市新都一中銘章學院 成都 610500)

趙蕓赫

(北京師范大學物理學系 北京 100875;四川成都市新都一中銘章學院 四川 成都 610500)

一個改進的“光的折射”實驗及由其展開的教學設計

徐瑞璟

(北京師范大學物理學系 北京 100875)

張航凡 王 倩 黃 敏

(四川成都市新都一中銘章學院 成都 610500)

趙蕓赫

(北京師范大學物理學系 北京 100875;四川成都市新都一中銘章學院 四川 成都 610500)

本課題的教學設計是在人教版初中物理教材關于光的折射部分內容的基礎上，以更容易攜帶且折射率更大、實驗現象更明顯的PV塑料板代替教材原實驗設計中的水缸來得到光的折射的規律．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驗引出新課，吸引學生興趣．同時設計了供學生自主實驗來探究光的折射的規律及光路可逆的課堂部分，有助于理解記憶、激發興趣、提升學生的綜合素質．

光的折射 光路可逆 演示實驗 自主探究

1 前言

初中生剛接觸物理，學習興趣很廣泛,但多停留在對直接表象的認知水平，易于被新鮮的生活、實驗現象吸引而忽略對現象本質的深入認識．因此在教學中要充分發揮實驗的教學功能，聯系生活實際培養學生探究物理的興趣即可．考慮到光學現象比較抽象，學生缺乏實際的操作經驗，需要教師引導學生自主探究得出折射規律，通過學生動手進行實驗，感知光的折射現象的存在，利用學到的知識解決實際問題．

教師通過演示實驗，指導學生觀察光的折射現象，引導學生自己分析、歸納光的折射規律，培養學生的觀察、分析、歸納能力；引導學生動手做實驗，培養學生的動手能力，關注實驗現象的共性；通過科學探究學會依照物理事實、運用邏輯判斷來確立物理量之間的因果關系并總結出規律，培養學生通過實驗研究問題的習慣．

此外在培養學生深入思考問題的習慣的同時，延伸至生活中的其他物理現象，培養學生對物理學習的興趣．通過對日常光現象如海市蜃樓的分析，進行破除迷信熱愛科學的唯物主義教育．

2 教材中的實驗設計及其弊端

人教版八年級物理上冊[1]第四章第4節“光的折射”小實驗原文如下.

圖1 圖1“光的折射”原文中的小實驗

為了顯示光路，實驗中通常需要在水面上方空氣中噴些煙霧，或點燃產生煙霧之類物品產生煙霧來散射光線，并在水中滴幾滴牛奶以產生丁達爾效應，再借助白色塑料板利用漫反射現象[2]，達到清晰觀察到入射光線和折射光線的效果．

該實驗在理論上可行，但在實際教學中弊端如下：

首先是水箱的搬運問題，偏小的水箱學生不易觀看，能夠讓全班同學看到的大小則十分不方便攜帶，且在運輸過程中容易打碎，造成不必要的麻煩和傷害；其次是煙霧制造的問題，煙霧容易擴散的特性會對實驗效果產生很大影響，而且如果點燃物品產生煙霧則對學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，該實驗并不符合演示實驗追求簡明直觀的教學理念．

3 教學過程的創新與課后探究性學習的設計

3.1 新課引入——光線彎曲魔術

這是一個能引起學生思維沖突的實驗，由學生的已有認知“光在同種均勻介質中沿直線傳播”出發，通過神奇現象“光線的彎曲”，激發學生的思考和興趣．課堂中可以接著鼓勵學生動手實驗觀察到筆在水中“折斷”的現象，猜想發生了一種光現象，提高學生自主探究的欲望，繼而提出如果光從一種介質到另一種介質會怎樣的疑問．

圖2 用激光筆演示光的折射

3.2 演示實驗——對教材實驗的改進

基于課本中實驗操作繁雜、器材不便、效果不盡人意，筆者在一些嘗試后得到一個較為可行的演示實驗方法，或許能對光的折射這一內容的教學有所幫助．所需器材有激光筆、PV塑料板、寫字板、坐標紙．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 設計實驗

演示實驗時使用激光筆沿寫字板平面照射向圓心，便于同時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中時，傳播方向發生了偏折，這種現象叫做光的折射；光的折射規律一：光從空氣斜射入水中或其他介質中時，折射光線向法線方向偏折，折射角小于入射角；光的折射規律二：當光從空氣垂直入射水中或其他介質中時，傳播方向不變；光的折射規律三：當入射角增大時，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論．

圖4 演示實驗

由上述內容可以看出，本裝置現象明顯、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 探究性實驗——概念的深入理解

學生實驗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．學生兩人一組合作自主實驗探究過程中，通過完成表格和記錄光路，深化理解光的折射的定義及規律，并探究得到光路可逆的結論．實驗效果如圖5所示．

(a) (b)

實驗過程先將廢紙卷成細紙條，用火柴點燃，伸入飲料瓶瓶口，一手遮擋住空隙以減少煙霧外擴，十數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，用激光筆從一側介質照向另一側介質并調節角度和方向，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，除了鍛煉學生的動手、合作的能力，還提高了學生深入思考、概括歸納能力．教學實施過程中教師需加以引導和總結，師生共同完成光的折射的規律的探究．

4 總結與展望

本著物理源于生活的設計原則，由學生已有的認知“光在同種均勻介質中沿直線傳播”出發，通過魔術“彎曲的光”，激發學生的思考和興趣，接著鼓勵學生動手實驗觀察到筆在水中“折斷”的現象，猜想發生了一種光現象，提高學生自主探究的欲望．進而通過觀察光從空氣進入PV塑料板的光路的演示實驗，讓學生認識到，光從空氣斜射入水中或其他介質中時，傳播方向發生了偏折，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，折射角隨之增大或減小．

在硬件方面，隨著課堂實驗的普及，有條件的學校可以制備一個班的數量的激光筆便于探究實驗的展開，課堂中加入讓學生自主進行實驗探究的部分，一方面可以培養學生的動手能力，另一方面通過科學探究學會依照物理事實、運用邏輯判斷來確立物理量之間的因果關系并總結出規律，培養學生通過實驗研究問題的習慣．

總體而言整個教學過程啟發引導的模式貫穿課堂始終，有助于學生對物理概念的理解．教學過程注重學生已有的知識儲備和接受能力以及思維方法，實驗探究中學生為主體教師為主導．最后，從物理走向生活，用光的折射規律解釋實際問題，實現由感性認識轉換為物理規律的過程，讓學生的感性認識與理性認識相結合．

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)