光的反射和折射教學新視域

朱春 邢紅軍

摘 要：在初中物理教學中，光的反射和折射教學主要圍繞“光線”來進行，但對于光的反射和折射過程中的能量卻很少涉及. 為此，通過對光的反射和折射過程中的能量分配進行討論，使學生達成對光的反射和折射的全面認識，從而有助于使學生形成物理學科核心素養的能量觀.

關鍵詞：光的反射;光的折射;能量觀;能量分配

文章編號：1008-4134（2019）22-0034 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

1 問題的提出

光的反射和光的折射是初中物理的重要內容，通過對教材進行分析以及查閱相關文獻發現，教材對這部分內容的處理主要是從光線的角度展開教學，通過實驗記錄反射角和入射角從而得出光的反射定律，通過觀察折射角總結出光的折射規律[1].

不難發現，在傳統光的反射和折射教學中，主要是從光線的角度研究問題，而對于光在反射和折射過程中的能量分配問題卻鮮有提及.

能量概念是物理學的基本概念，能量轉化與守恒定律是自然界的基本規律，它把物理學中看似相互獨立的力學、熱學、光學、電磁學和原子物理學緊密聯系起來，并用能量的概念完備地解釋物理現象，從而實現了學科最大的邏輯簡單性[2].

2001年頒布的義務教育物理課程標準，使“能量”首次成為課程內容的三個主題之一. 在初中物理教材中，能量的概念也貫穿始終，可見能量在中學物理中的重要性.另一方面，能量概念又非常抽象，由于現行的初中物理教材都未給能量下一個確切的定義，也未對能量概念作詳盡的解釋，因此，這就導致學生在理解能量概念時普遍感到困難.

以能量教學、能量概念和能量觀為檢索詞對中國知網進行檢索發現，大部分研究者都認識到了在高中階段對能量相關知識進行教學的重要性，并在教學中突出能量概念. 但倡導在初中階段引導學生建立能量觀的文獻卻很少，在能量及其相關概念教學上，也缺乏較為系統的教學方法和教學策略.

由于教材編寫與教師教學均未能有效地樹立正確的能量觀，加上未有系統的教學方法和策略，從而導致初中學生難以從能量的角度認識自然現象也就不足為奇.

因此，在初中階段加強能量及相關知識的教學就顯得尤為重要.

在光的反射和折射教學中，由于初中生已經積累了與能量相關的前概念，所以從能量角度研究光的反射和折射，就成為學生頭腦中由感性認識上升到理性認識的過程，不僅符合學生的認知發展規律，而且是可行且必要的. 通過這一教學環節，能夠擴展學生的能量認知圖式，有助于學生建構完善的能量知識體系，幫助學生形成對光的反射和折射的全面認識，從而促進學生物理學科核心素養發展.

2 光的反射和折射過程中的能量分配

為了讓初中學生更好地建構能量知識，豐富對光的反射和折射的認識，下面討論光從一種媒質入射進另一種媒質時反射光和折射光的能量分配情況.

光入射到媒質的界面上時，一部分光反射回原來的媒質，另一部分透入另一種媒質，同時也總有一些光被媒質所吸收. 但是對于透明體來說，例如純凈的空氣、清水和光潔的玻璃等，吸收的光能極少，通?？梢月匀ゲ挥? 根據能量守恒定律，入射光的能量應等于反射光的能量與折射光的能量之和. 反射光和折射光的能量分配是根據兩媒質的光學特性（折射率n）和入射角的大小i所決定的.

下面分別討論當光從空氣入射到水中（n=1.33）反射光和折射光的能量分配情況以及光從玻璃（n=1.33）入射到空氣反射光和折射光的能量分配情況.

2.1 光線從空氣入射到水中

光線以不同入射角從空氣入射到水中反射光和折射光的能量分配情況，見表1.

反射光和折射光能量分配圖，如圖1所示.

從表1和圖1中可以看出，當光從空氣以不同入射角分別入射到水中時，隨著入射角逐步變大，反射光的能量也隨之增大. 入射角在0°— 60°之間時，反射光能量增大幅度小，不超過6%. 從60°開始，增長幅度變大，當入射角達到80°時，反射光能量可達34%以上，入射角達到90°時，反射光能量達到了100%.

隨著入射角增大，折射光的能量隨之減小. 當入射角小于60°時，折射光能量緩慢減小，當入射角大于60°，折射光能量急劇下降，入射角從80°上升到89°時，折射光能量從65.5%大幅下降到10%，入射角達到90°時，折射光能量減少為0.

當反射光能量和折射光能量的趨勢線相交時，反射光能量與折射光能量相等，此時對應的入射角為i=i1 ，當ii1 時，反射光能量大于折射光能量.

2.2 光線從玻璃進入空氣中

上面討論的是光線從光疏媒質（空氣）入射到光密媒質（水）反射光和折射光的能量分配情況，下面討論當光線從光密媒質（玻璃）進入光疏媒質（空氣）時反射光和折射光的能量分配情況.

與光線從空氣入射到水中的情況不同的是，光線從玻璃進入空氣會發生全反射現象. 所謂全反射現象是指當入射角達到臨界角時，折射角r=90°，因而當入射角等于或大于臨界角時，光線就不再折射而是全部被反射. 由水到空氣的全反射臨界角約為49°，由各種玻璃到空氣的臨界角在30°-40°之間. 光線從玻璃進入空氣時，其反射光和折射光能量分配的百分比見表2.

反射光和折射光能量分配圖，如圖2所示.

由表2和圖2可知，當光線從光密媒質入射到光疏媒質時，反射光的能量同樣也是隨著入射角的增大而增大. 不同的是，當入射角接近臨界角i=42°時，入射角若有微小變化，反射光能量便急劇增大. 當入射角達到臨界角時，反射光能量達到100%，自此隨著入射角的持續增加，反射光的能量都是100%，即發生了全反射現象.

在發生全反射之前，折射光能量隨著入射角的增大緩慢減少，并在總能量中占很大比重，當入射角達到臨界角后，折射光能量降為0.

圖2中反射光能量和折射光能量趨勢線的交點同樣表示在此時的入射角下，反射光能量與折射光能量相等.

需要說明的是，反射定律和折射規律只有在媒質分界面尺寸大大超過波長時才是正確的. 如果小水滴或小玻璃片的尺寸小于0.01毫米時，將出現衍射現象，此時，反射光能量和折射光能量的分配，就不再符合以上各表的數據了[3].

3 研究啟示

通過對光的反射和折射現象中反射光能量和折射光能量分配情況的分析可知，在光學教學中引入能量概念，能夠使學生更為全面地理解光的反射和折射現象，豐富初中學生的物理認知，為后續的物理學習奠定基礎. 還能夠培養學生學習光學的興趣，并有助于學生物理學科核心素養的達成，這顯然具有重要的教學意義.

3.1 物理教學應樹立正確的能量觀

一切物質運動都與能量有關，能量概念滲透于初中物理的每一個教學內容中，因此教師要樹立正確的能量觀念，善于把與能量相關的知識勾勒出來，為學生提供建立能量觀念的機會，從而構建完善的知識體系. 為此，教師要準確把握能量概念的教學要求，既要注重能量內涵的教學，又要把握能量外延的教學. 這是因為，在初中階段如果教師講得太深，教學效果反而會適得其反.由于初中學生已經積累了與能量相關的前概念，因此，在光的反射和折射教學中實現從光線角度到能量角度的跨越，同時符合初中學生的認知發展規律，能夠深化初中學生對光的反射和折射的認識.值得注意的是，除光學外，初中物理其他部分同樣也與能量有著密不可分的聯系.譬如，聲音具有聲能、運動的物體具有動能、發生彈性形變的物體具有彈性勢能、被舉高的物體具有重力勢能、電具有電能等，這些都是能量的各種形式.教師在整個初中階段的物理教學中應逐步滲透能量的各種形式，力求為學生構建完備的能量知識體系，使學生對能量有更全面而具體的認識，激發他們學習物理的興趣，進而啟發學生科學思維.

3.2 物理教學應滲透量變質變規律

量變是指事物量的規定性的變化，質變是指事物根本性的變化. 《荀子》說：“不積跬步，無以至千里;不積小流，無以成江海.”，說明了量變與質變相互轉變的規律. 初中物理很多內容都體現了量變與質變的思想，如物體溫度的量變會引起物態的質變;透鏡成像時，物距的量變會引起像的質變等[4] .在討論光線從玻璃進入空氣的情況時，當入射角小于臨界角時，反射光能量遠小于折射光能量，而當入射角達到臨界角時，能量分配情況發生了突變，反射光能量達到100%，折射光能量降為0，發生了全反射現象，這一過程就是一個從量變到質變的過程. 物理學中諸多概念和規律都滲透著量變與質變的規律，將量變與質變的辯證思想應用到物理教學中，不僅有利于學生更好地理解知識，同時學生的科學思想、科學方法等都能得以發展. 更為重要的是，這一思想對學生樹立“千里之行，始于足下”的人生觀也可以產生潛移默化的影響.

3.3 物理教學應注重理論聯系實際

根據皮亞杰的認知發展理論，初中生的認知發展水平還停留在前運算階段和具體運算階段，因此，教師在教學中就應當注重理論聯系實際，培養學生利用物理知識解決生活與學習中的實際問題的能力，從而幫助學生更好地建構認知圖式.在現實生活中，光的反射、光的折射以及光的全反射現象都有著廣泛的應用，家中的穿衣鏡，汽車上的后視鏡等運用了光的反射原理;斜放在水中的筷子看上去被“折斷”、河里的水看上去比實際的淺、光學眼鏡、顯微鏡、放大鏡、照相機等均運用了光的折射原理;胃鏡、潛水鏡、光纖通信等都使用了全反射的原理. 此外，在自然界中，水中或玻璃中的氣泡看起來特別明亮，其原因就是因為光線從水或玻璃射向氣泡時，一部分光在界面發生了全反射. 因此，通過將生活中的全反射現象引入到物理教學中，將理論聯系實際，就能夠使學生更全面地了解光的反射和折射現象從而發展他們的科學思維.

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.物理（八年級上冊） [M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]譚世略.初中物理能量及相關概念教學的研究與實踐[D].蘇州：蘇州大學，2009.

[3]何汝鑫.中學物理解疑[M].南京：江蘇人民出版社，1982.

[4]莊運武.完成量的積累 實現質的飛躍[J].中小學教學研究，2015（11）：36-39.

（收稿日期：2019-07-23）