如何上好初中物理“光的折射”一課*

唐建華

(蘇州陽山實驗中學校 江蘇 蘇州 215151)

初中物理“光的折射”在整個光學中的地位非常重要，是以后學習透鏡、凸透鏡成像規律的基礎，也是高中光學的基礎.但目前初中幾個版本的光的折射教學限于實驗的原因，只能探究光在空氣和水(或玻璃)間的折射，教學停留于對光的折射現象的呈現和描述[1]，只能得出僅限于這些介質間的經驗型的規律，這與高中光的折射教學是相脫節的.本文具體探討產生該現象的原因與解決方法.

1 分析當前幾種教材中的“光的折射”

蘇科版八年級物理教材中，先通過引入光從空氣斜射入水中，讓學生初步認識光的折射現象，然后運用玻璃磚探究光的折射特點，具體是將玻璃磚壓在光屏上，讓光從空氣斜射入玻璃磚，學生將最初的入射光和最后從玻璃射出的折射光描出.然后就總結光的折射規律：“當光從一種介質斜射入另一種介質時，折射光線、入射光線和法線在同一平面內；折射光線和入射光線分別位于法線的兩側；入射角增大(或減小)時，折射角也隨之增大(或減小).光垂直于介質表面入射時，折射角等于零.當光從空氣斜射入水(或玻璃)中時，折射光線偏向于法線方向，即折射角小于入射角；當光從水(或玻璃)斜射入空氣時，折射光線偏離法線，即折射角大于入射角.” 這么長的結論，只是對光在空氣和水、光在空氣和玻璃間的折射現象的表述，增加學生記憶的負擔，不利于物理核心素養的提升.

人教版教材中，處理方式和蘇科版大同小異，只是結論表達略有不同：“光從空氣斜射入水或者其他介質時，折射光線向法線方向偏向.”其他部分基本相同.這樣的表述是基于空氣的折射率很小，接近1，其余介質的光的折射率都是大于空氣的.結論雖更深入，但教材只探究了光在空氣和水以及光在空氣和玻璃中的折射，就下此結論，還是缺少說服力，不利于學生批判思維的培養.同時，若光從空氣到真空，該結論就不適用.

2 造成該現象的原因——實驗限制

造成該現象的原因是歷史條件下的實驗器材限制，缺少利于實驗的激光源，缺少方便探究的實驗介質.顯示光路一般有兩種方法：一是背景法，即是讓光沿著光屏照射，可以從光屏上明顯看到光路，如探究光從空氣射向水時，向水中插入一個光屏，從光屏上可以看到光路；二是散射呈現法，即在光的傳播路徑上撒些微粒，當光照在上面時會有漫反射，這樣從各個方向都能看到光路[2].現行初中教材中“光的折射”只探究光在空氣和水、空氣和玻璃中的折射，不探究水和玻璃以及其他介質之間的折射.筆者認為有以下原因：

(1)水和玻璃間的折射實驗難做.水和玻璃間的折射現象難以呈現，光路難以顯示.水中可以加入牛奶等物質來顯示光路，但玻璃中的光路難以顯示，玻璃是固體，很難在其中加入其他顆粒，所以散射法不容易呈現，若在玻璃后面貼一個光屏，雖然能得到光路，但很難給學生講清楚，這個光路是不是玻璃中的光路.

(2)水和玻璃間的折射實驗現象不明顯.光在普通玻璃中的折射率約為1.5，水的折射率是1.33，兩者相差不大，光從水射向玻璃時，偏折角度不大，特別是入射角較小時，學生不易看到折射現象.

(3)其他透明介質如水和食用油間的折射理論上是可以做的.水和食用油混合后，兩者不能相互融合，油的密度較小，所以在水的上方.食用油的折射率約是1.5，水的折射率1.33，兩者的折射率不同，會出現折射現象.但通常不會做，因為食用油比較貴，我們不可能將很多食用油倒進水槽中做實驗，太浪費了.

3 解決過程——實驗創新改進

解決問題1:如何在玻璃中顯示光路.玻璃是透明的介質，如何讓光從里面透過時把光路顯示出來.筆者經過多次的實驗發現，一般的激光筆射入玻璃時，很難看到光路.聯想到晚上城市寫字樓上的激光射燈，會看到一個很明顯的光路，而到了白天，則沒有了，因為白天即使發出激光，人們也看不到，白天外界環境太亮了.所以筆者網購了功率更大的激光筆，使之發出更亮的激光射入玻璃中，同時發現在暗室中可以看到明顯的光路.分析原因是玻璃中也有些雜質，正是這些雜質對光的漫反射，使我們看到了光路.為了增加可視度，筆者請專門的師傅制作了長25 cm，寬10 cm，厚1 cm的玻璃，同時玻璃的邊緣是不能打毛的，因為若打毛了，則光透過去后由于分界面不平，出現很多折射光，影響實驗效果.

解決問題2:水和玻璃中的折射現象不明顯，兩者的折射率相差不大.筆者先用軟件模擬了水和玻璃中光的折射現象，發現入射角較小時，折射角也較小，入射角和反射角相差不大，若不斷增加入射角，折射角也增大，同時入射角和折射角之間的差值就越大，此時實驗效果就很明顯.具體如圖1所示.

但實驗時，教師一般是在容器中裝水，將激光筆從容器上方空氣中斜射向水的，要使光從水射向玻璃時的入射角很大，實際很難，軟件模擬發現即使從空氣射向水時的入射角接近于90°，折射角最多也只接近49°，然后再以49°的入射角從水斜射入玻璃，軟件模擬發現折射角也只有42°，這樣玻璃和水間的折射現象很不明顯，水和玻璃的折射就不易被學生發現.解決方法是將激光從容器的側面照進水中，由于側面照射時，容器側壁是厚度相同的介質，對光的方向改變幾乎可以忽略不計，所以只要考慮光從空氣到水的折射就可以了.由于入射角較小，折射角也很小，且兩者的差值也很小，幾乎不容易看出折射現象.此時光再從水射向玻璃時，入射角度就很大，折射現象就非常明顯了.具體如圖2所示.

圖1 軟件模擬水和玻璃中光的折射實驗效果

圖2 軟件模擬光從水射向玻璃時的折射現象

解決問題3:探究水和食用油之間光的折射現象.生活中由于食用油比較貴，教師不可能用水槽來先裝水再裝食用油來實驗.但由于光折射時，折射光線、入射光線和法線在同一平面，所以，可以減小容器的厚度，來減小裝油的質量，同時減小實驗器材的重量.

綜合以上幾點，筆者網購了透明亞克力板等材料自制了寬27 cm，高23 cm，厚2.5 cm的容器，其中容器正面的兩個大板的厚度是0.5 cm的亞克力板，其他側板都是用1.5 cm的亞克力板材，既是容器的側面，又能起支持作用，使整個容器結構更牢固.同時側面的透明板材還能透光，這樣容器中裝厚玻璃和水時，光可以從側面斜射入水，然后進入玻璃，發生明顯的折射現象.如圖3和圖4所示是光從水斜射入玻璃的折射現象以及光在食用油和水之間的折射現象.

圖3 光從水斜射入玻璃的折射現象

圖4 光在食用油和水之間的折射現象

4 課堂設計

4.1 情境引入 激發興趣

教師演示實驗：用實物投影對著紙杯，將一枚硬幣放在紙杯底部固定位置，慢慢移動紙杯，使學生剛好看不到紙杯中的硬幣，然后教師緩緩地向紙杯倒入水，提問：你看到什么現象？

將這個原來只能由一個觀察點觀察的現象通過實物投影實時給全班學生觀看，增加了實驗的可信度，激發全班學生探究的熱情.

4.2 建立模型 提出概念

原本看不見的硬幣，在加水后被我們看見，究竟光從水到空氣間的傳播遵循什么規律呢？教師演示實驗：在盛有半水缸的水中加入數滴牛奶，將水缸上方用點燃的蚊香薰起少許煙霧，水缸上用玻璃蓋住，用激光筆從空氣斜射照入水中.

學生根據看到的現象，把光路模型表達出來.教師對比光的反射現象，介紹入射光線、法線、折射光線、入射角、折射角等概念.

通過對比的方法，學生很容易建立起光的折射概念，同時有意識地去思考光的折射與光的反射的不同點和相同點.

4.3 科學探究 追根溯源

提出問題：光的折射遵循什么規律呢？需要什么器材？如何探究呢？

教師演示實驗：用一個可沿著法線對折的光屏插入水中，將激光筆的激光沿著光屏照入水中.將入射光線垂直水面照射，觀察折射情況；增大入射光線與法線的夾角，觀察折射情況；將光屏沿著法線向后折，再觀察折射情況；將另一只激光筆從玻璃水缸的底部逆著上方的光線從水照入空氣，觀察折射光線和原來的入射光線間的關系.

學生總結，光在空氣和水間的折射規律.

教師拋出問題：光在不同介質中傳播時有何不同的地方？引導學生聯想到光在不同介質中的傳播速度不同.然后再給學生出示光在幾種透明介質中具體的傳播速度，如表1所示.同時再提出問題,光可以在透明的空氣和水中發生折射，那么能否在其他透明的介質間發生折射呢？其折射過程和光速有什么關系呢？

表1 光在不同介質中的傳播速度

學生分組實驗：探究光從空氣斜射入玻璃磚的折射規律.將玻璃磚壓在白紙上，用激光筆從空氣沿著白紙斜射入玻璃磚，然后用筆在白紙上入射光線的位置標注兩點，最后從玻璃中射出的光線上標注兩點，確定入射光線和從玻璃中射出的光線，根據這兩條光線再確定玻璃中的光線,如圖5所示.

學生小組交流，尋找規律：光在空氣和水、空氣和玻璃間的折射可能與光速的關系，當光從速度較快的介質到速度慢的介質時，折射光線偏向法線.

教師提問：光從水中斜射入玻璃時，光會如何傳播？

學生：光在水中比在玻璃中的傳播速度快，折射光線可能會偏向法線.

圖5 玻璃中光線確定示意圖

教師演示光從水到玻璃中的折射現象，驗證學生的猜想.

教師提問：光從食用油中斜射入水中時，光會如何傳播？

學生：光在食用油中比水中的傳播速度慢，折射光線可能會偏離法線.

教師演示光從食用油到水中的折射現象，驗證學生的猜想.

學生總結：光從一種介質斜射入另一種介質時，若光速變慢，則折射光線偏向法線，反之則偏離法線.

該過程，教師先演示空氣和水間的折射，同時出示光在幾種透明介質中的速度，然后學生自主探究光從空氣到玻璃的折射，根據兩個實驗猜想光的折射和光速的關系，再探究光在玻璃和水、水和食用油中的折射去驗證猜想.從現象到提出猜想再到驗證猜想，步步深入探究光的折射規律.這樣學生就不用去記憶以上幾個教材中那么多文字的結論.更不用去記“空氣中的角大”等教學中的二次結論，這種教學的過程既有深度，又符合初中生的思維水平.同時為高中學生學習折射定律打好基礎，利于學生科學思維的培養.

4.4 知識應用 解決問題

用光的折射規律解釋生活中光的折射現象是本節課的難點，但前面探究充分，學生解釋生活中的折射現象也就水到渠成了.

(1)早晨看到初升的太陽.學生通過一系列探究過程，知道了光從光速快的介質到光速慢的介質時，折射光線要偏向法線，所以學生很容易畫出光從真空到空氣的折射光路圖.這里筆者強調地球表面的空氣是不均勻的，但我們把空氣理想化成均勻介質，可以畫出圖6所示光路圖.解釋生活中的這個現象，讓學生充分理解光的折射規律，光的折射是和光速有關系的.

圖6 太陽光射入地球外大氣層的折射示意圖

(2)用光的折射解釋硬幣“上浮”.引導學生畫出光從水到空氣的折射光路圖，由于學生探究了水與空氣的折射規律，所以學生很容易畫出光從水到空氣的折射光路，如圖7所示，自然能夠解釋課堂引入時的魔術“硬幣上浮”.筆者提出斜插在水里的筷子會向上彎折，引導學生畫圖解釋，同時總結，我們從岸上看到水里的魚、河底的石頭等都會變淺，這也是生活中許多溺水事故的重要原因，所以，大家在河邊不能輕易下水游泳，看起來水變淺了，但實際要比看到的位置深.

圖7 “硬幣上浮”原理示意圖

總之，物理教師要時刻關注生活中的新產品，關注這些新產品是否能運用于物理實驗教學.本文中筆者就先用光的折射軟件模擬了各種透明介質的折射情況，在模擬過程中找到效果最明顯方案的基礎上，再網購了市場上最新的高功率激光筆和亞克力板材，利用亞克力板材自制透明容器，然后裝水、食用油以及玻璃來研究其間的折射情況，豐富了學生的探究過程，得出光的折射與光速的關系，為高中光的折射定律教學打好基礎，促進學生核心素養的提高.