利用自制加濕噴霧器改進“光的反射”相關實驗

曹鍵糧 彭朝陽 朱興磊

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500) (會澤縣茚旺高級中學 云南 曲靖 654200)

物理實驗教學能夠幫助學生有效地建立物理概念、理解物理規律和掌握物理知識，是物理教學的重要組成部分，也是提高學生核心素養的重要途徑.但是教材中有些實驗方案、實驗儀器還存在一些不足之處，再考慮到不同的實驗環境和條件使得實驗進行起來不易操作或者現象不夠明顯直觀，無法充分發揮實驗在實際教學中的重要作用及優勢.以“光的反射”為例，筆者對滬科版教材中“光的反射”這一節內容中的實驗設計進行了分析，并對該實驗進行了改進與創新.

1 “光的反射”實驗分析

1.1 教材中的實驗設計

滬科版八年級物理第4章第1節中“光的反射”是學生接觸到的第一個有關光學規律的探究實驗，也是后面探究學習其他光學知識的基礎，并且課程標準對本節內容的要求是通過實驗探究總結得出光的反射定律，可見本節實驗的重要性.

教材中的實驗設計原文引述如下.

探究光的反射規律：

實驗所需的器材有光源、平面鏡、可折轉的光屏.按圖1裝配好實驗器材.

圖1 教材中光的反射實驗裝置

(1)讓入射光線沿光屏投射到平面鏡上，觀察反射光線的方向.

(2)將有反射光線的半個光屏向后折轉一個角度，觀察光屏上還有反射光嗎？為什么？

(3)研究反射光線、法線、入射光線之間的相互位置關系.

(4)研究反射角和入射角的大小關系.

從大量實驗研究總結得出光的反射規律.

1.2 教材中實驗存在的不足

教材上探究光的反射規律實驗設計可謂是簡單、明了，但是在實際教學中操作起來并不簡單，并且邏輯不夠嚴謹、實驗效果不夠理想，具體分析如下.

(1)實驗中需要光線緊貼著光屏而且剛好投射到入射點才能在光屏上同時觀察到入射光線和反射光線，這一過程不易調節；并且在探究兩角相等時需要不斷改變入射光線，就需花很長時間不斷調節光線保證它出現在光屏上，實驗效率低下.

(2)教材中實驗分為4個步驟，第一步讓學生觀察光的反射現象，第二步探究三線共面，第三步探究兩線異側，第四步探究兩角相等.教材中是通過光屏呈現出光路，并且首先讓學生觀察光屏上的入射光線和反射光線，這相當于已經默認了反射光線、法線、入射光線在同一平面內，接下來又進行三線共面的探究，這樣的設計邏輯上并不嚴謹.導致出現這樣的結果原因就在于呈現光路的方式出現了問題.

(3)實驗中的光的反射現象只是呈現在某一個平面上，無法讓學生多角度、全方位地觀察整個空間中的入射光線和反射光線；單一平面光線的呈現形式也使大多方位的學生觀察效果欠佳.

(4)在探究三線共面時，當半個光屏向后折轉一個角度后，在光屏上只觀察到入射光線而反射光線不見了，這就能說明三線共面嗎？那反射光線到底在哪？是否也發生了折轉？這一系列的問題還未解決就得出三線共面的規律并不具有說服力.

(5)實驗中在白色光屏上探究兩角相等時，不斷改變入射角，需要在白色光屏上描繪出各次入射光線和反射光線的徑跡，之后再來量取角度，這樣操作起來煩瑣、耗時.

2 自制加濕器改進“光的反射”實驗

上述存在的問題不僅影響實驗效果，而且也會使學生懷疑實驗結論的科學性.經過分析可以發現最為突出的問題出現在光路的呈現形式上，所以筆者通過自制的加濕噴霧器來改變光路的呈現形式從而突破以上問題，具體如下.

實驗器材:塑料盒、霧化頭、小風扇、發紅光和綠光的激光筆各一只、小平面鏡、鐵架臺、標有角度的光屏.

實驗原理:加濕器的主要原件是霧化頭，霧化頭上裝有超聲波霧化片，通過霧化片的高頻諧振將液態水分子結構打散而產生自然飄逸的水霧，再通過小風扇把水霧朝某一方向吹去，就能形成連續不斷的水霧，通過水霧把光傳播的路徑呈現出來實現讓光線回歸到三維空間,如圖2所示，有利于進行“光的反射”實驗探究.

圖2 實驗原理示意圖

實驗設計及過程:(1)接通自制加濕噴霧器的電源，水霧從出霧口連續噴出，激光筆發出的光線穿過水霧射到平面鏡上，便可以觀察到清晰、真實的入射光線和反射光線,如圖3所示.

圖3 通過水霧呈現光傳播的路徑

并且可以在空間中任意方位、任意角度演示光的反射現象,便于不同方位學生觀察.在觀察反射現象的基礎上,學生會發現反射光線和入射光線總是呈現“你左我右，你前我后”的狀態，便容易想到反射光線和入射光線可能是對稱的，從而由對稱軸引出“法線”的概念可加深學生的理解，進一步進行兩線異側的實驗探究.以激光筆發出的紅色光線作為法線，綠色光線作為入射光線，讓入射光線以入射點為基點任意變換讓學生觀察，發現不管任意方位入射光線與反射光線總是位于法線兩側，進而總結出兩線異側的規律,如圖4所示.

圖4 演示入射光線和反射光線的關系

(2)三線共面是兩角相等的前提，所以接下來進行三線共面的實驗探究.在上一步兩線異側的基礎上用光屏進行參照引導學生猜想三線是否共面,如圖5所示.接著將有反射光線的半個光屏向后折轉一個角度，學生仍然可以清楚地看到反射光線，并且同時也可以看到反射光線并沒有跟隨光屏折轉,如圖6所示.說明反射光線仍處于剛才那一平面，進一步總結出三線共面的規律.

圖5 利用光屏進行參照，演示三線關系

圖6 將光屏折轉，觀察反射光線

(3)探究兩角關系時，只需要將標有角度的光屏直接貼近入射光線和反射光線便可以快速讀出入射角與反射角的大小,如圖7所示.以此重復多次記錄下多組反射角和入射角的大小，分析數據總結得出兩角相等的關系.

圖7 觀察入射角和反射角的大小

3 效果及評價

(1)通過對教材上實驗的改進與創新突破了光路的呈現形式，能夠將光屏上的二維光路跳出光屏呈現在三維空間中，使實驗現象更加形象、直觀，更具有科學性.改進后的實驗不易受到環境光照情況的影響，便于全體學生多方位的觀察，大大增加了實驗現象的可見度與可視范圍；同時降低實驗操作難度，能夠很好地幫助學生探究、理解光的反射定律.

(2)在實驗設計上利用改進后的實驗儀器讓學生先觀察立體空間的光的反射現象，再回到某一平面探究三線共面，避免了原有實驗邏輯上不夠嚴謹的弊端.

(3)成品加濕器價格昂貴出霧量小，但通過自制的方式可增加霧化頭數量增大出霧量，且成本低可大量制作；實驗操作簡單，除了可以進行演示，也可以實現學生的分組實驗.

(4)自制加濕噴霧器突破了原有光路的呈現形式，不僅可以改進光的反射實驗，還可以完成一些初中常見的光學實驗，例如光的直線傳播、光路可逆、鏡面反射與漫反射、凸面鏡和凹面鏡對光線的作用、光的折射、凸透鏡和凹透鏡對光線的作用等.

1)鏡面反射與漫反射.在關于鏡面反射和漫反射的實際教學中，大多都是讓學生直接看教材上鏡面反射和漫射的光路圖或者讓學生動手作圖來學習該知識點，然后通過學生的想象再解釋一些自然現象.而利用加濕噴霧器便可把光路真實、形象地呈現出來，更利于學生理解與學習,如圖8(a)，(b)所示.

圖8 鏡面反射與漫反射實驗演示

2)凸面鏡與凹面鏡對光線的作用.凸面鏡和凹面鏡是生活中應用廣泛的兩類球面鏡，學生在學習了平面鏡成像的知識后需要對生活中凸面鏡和凹面鏡應用現象進行解釋.但是目前平面光路的呈現形式是無法演示出凸面鏡和凹面鏡對光線的作用，所以學生對知識的學習僅停留在對知識記憶的層面.自制加濕噴霧器可呈現出三維空間的光路便可以突破這一問題，圖9所示為利用該儀器可清晰地演示出凹面鏡對光線的匯聚作用.

圖9 凹面鏡對光線的匯聚

3)凸透鏡與凹透鏡對光線的作用.利用加濕噴霧器可呈現出三維空間的光路這一特點，也可以將凸透鏡與凹透鏡的空間光路呈現出來，圖10清楚地呈現出了凸透鏡對光線具有匯聚作用.

圖10 凸透鏡對光線的匯聚