滲透物理學史的“光的色散”教學設計*

蔣麗艷

(蘇州高新區第一初級中學校 江蘇 蘇州 215009)

1 引言

物理學史是歲月長河中人類認識自然界各種物理現象，研究物理學各種規律的發生和發展的歷史過程.在物理規律被揭開之前，科學家們在歷史的漩渦中歷經掙扎.新的實驗現象挑戰舊理論，不同對立的理論在彼此的爭斗中取得新的進展，如“微粒說”與“波動說”在200多年的彼此交鋒中接受了德布羅意的“波粒二象性”學說.在物理教學的過程中，教師若能將學生帶入物理學史的某個事件中，經歷不同科學家探究規律的歷程，感受到科學的魅力，就能提高學生學習物理的興趣，也有助于培養學生質疑、批判的精神.牛頓對光學的研究以色散最為突出.牛頓從笛卡爾的棱鏡實驗得到啟發，又借鑒胡克和玻意耳的分光實驗[1]，成功地總結出了色散的規律.

2 教學過程

色散是一個古老的課題，從中國古代開始就有關于彩虹現象的記載.學生在日常生活中也能觀察到彩虹，從彩虹現象引入，符合物理學的歷史發展，也更貼近學生的生活.

2.1 引入課題——古人對虹的認識

活動1：觀看灑水車噴水時出現人造彩虹的視頻(截屏如圖1).

師：殷代甲骨文就有關于虹的記載，楚辭中將“虹”記作“絳”.

屈原在《楚辭》中寫道：“建雄虹之彩旄兮，五色雜而炫耀”，認為彩虹有5種顏色.彩虹的形成是與水滴有關，還是與太陽光有關呢？

學生思考：若無水滴，形成不了彩虹；若無陽光，也不會出現彩虹.

圖1 噴水形成彩虹

師：古人也一直在探索彩虹的成因. 唐代初期孔穎達在《禮記注疏》中粗略地揭示了彩虹的成因“若云薄漏日，日照雨滴則虹生”，認為虹是太陽光照射雨滴所產生的一種自然現象[2].南宋朱熹對彩虹的成因有了進一步的認識，在《朱子語類》(卷二)“理氣下”中指出虹是“日色散射雨氣”.南宋的程大昌在《演繁露》中指出露滴分光的現象，分出的顏色不是水珠本身所具有的，而是日光的顏色所造成的.是否只有水滴才能產生虹現象呢？生活中還有其他物體也能呈現類似現象嗎？

生：肥皂泡，衣服上的珠子等.

師：從晉代開始，許多典籍就記載著孔雀毛、某些昆蟲的表皮、云母片在太陽下能呈現不同顏色的現象.李時珍指出，較大的六棱形水晶和較小的水晶珠都能將太陽光分光.

設計意圖：從人造彩虹出發，激發學生探索背后原因的興趣，設疑激疑，再通過古人對彩虹形成的原因解釋及其他物體也能產生虹現象的介紹，讓學生了解歷史.

2.2 實驗探究——光的色散

師：中國古人對虹現象的解釋是比較零散的，大多帶有經驗性.早在13世紀，國外的科學家也對虹的成因進行了探討.德國的傳教士西奧多里克，利用裝滿水的大玻璃球殼，在太陽下模擬了天上的彩虹.但他認為各種顏色的產生是由于光受到不同阻滯所引起的，沒有擺脫亞里士多德認為一切顏色都是光明與黑暗、白與黑按比例混合的教義.

活動2：胡克利用燒瓶做了分光實驗，將一只充滿水的燒瓶，放在距離屏幕約60 cm的位置，讓我們來回顧一下胡克的分光實驗.

活動3：笛卡爾用三棱鏡將太陽光投射到屏幕上，將三棱鏡放在距離屏幕幾厘米的地方，演示三棱鏡實驗.如圖2所示.

圖2 三棱鏡離屏較近時的場景

生：看到了光帶兩側分別呈現藍色和紅色.

設計意圖：培養學生的觀察能力，進而培養學生思考問題的能力.通過物理史實，使學生知曉科學的道路并非一帆風順.

師：為什么沒有出現像彩虹一樣多彩的顏色呢？

學生思考.

師：牛頓也在思考這個問題.玻意耳將棱鏡散射的光投到1米多高的天花板也僅看到兩側帶顏色的光斑，而牛頓的高明之處是將投射的距離擴展成6～7 m，我們感受一下投射距離拉大后的實驗場景.

活動4：學生操作三棱鏡分解太陽光(室內可用平行光源)的實驗.

生匯報：太陽光經過三棱鏡后，被分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等顏色.

2.3 深入探究——白光的本質

師：彩色的光帶是如何形成的呢？

生猜測：(1)七色光帶可能是白光經三棱鏡分解而形成的.

(2)七色光帶可能是三棱鏡在白光的刺激下產生的.

師：若白光是由七色光組成，必然能將七色光重新混合成白光，如若不能，說明光帶是由三棱鏡產生的.如何操作，才能將七色光重新混合呢？

生討論匯報：將另一個三棱鏡倒置放置，可能重新合成白光.

活動5：用2個三棱鏡將分解的色光重新合成白光.如圖3所示.

圖3 白光的合成

生匯報：白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種色光組成的.

設計意圖：通過學生對彩色光帶形成原因的猜想，培養學生的邏輯思維能力.讓學生通過再次合成白光的討論，培養逆向思維能力，感受物理的對稱美.

2.4 揭示本質——色散的奧秘

活動6：在一張白紙上畫一條直線，直線(圖4中下面的那條線)左半邊為紫色，右半邊為紅色，透過三棱鏡觀察現象.

圖4 用三棱鏡觀察紫線和紅線

生：紫色線分成上、下兩條線，下面的線為藍色，上面的線為紅色，藍色的線比紅色的線偏折得厲害.

師：藍光比紅光的折射能力強，為了說明白光確實是由折射性能不同的光組成的，牛頓還做了一個很有說服力的實驗，被稱為“判決性實驗”(如圖5).他拿兩塊木板，一塊DE放在窗口F 緊貼棱鏡ABC處，光從S平行進入F后經棱鏡折射穿過小孔G，各種顏色以不同的角度射向另一塊木板de.de離DE約4米遠，板上也開有小孔g，在g后面也放有一塊三棱鏡abc，使穿過的光再折射后抵達墻壁MN.牛頓手持第一塊棱鏡ABC，緩慢繞其軸旋轉，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過g到達三棱鏡abc[1].哪種光被折射得最厲害呢？這說明了什么？

圖5 牛頓的判決性實驗

生：紫光.由此說明，白光確實由折射性能不同的光組成.

設計意圖：通過三棱鏡觀察發現，由紫線(紅色和藍色混合成的紫色)分出來的藍線偏折厲害，再由光的色散實驗中光譜的顏色順序推斷出最外側的紫光偏折最厲害，以此培養學生的推斷能力及邏輯思維能力.

師：牛頓的實驗證據充分，但人們一時無法接受.特別是胡克，他認為牛頓的這個實驗不具有判決性，因為無法解釋薄膜的顏色.為此，幾年后牛頓又利用一只長而扁的三棱鏡做了一個實驗(如圖6).扁長的三棱鏡產生的光譜相當狹窄.將光屏放在位置1接收光，看到的仍然是普通光，但將屏改變角度，放在位置2，就可以看到分解的光譜.這個實驗沒有變換棱鏡，只是變化了屏的角度，進一步說明了白光是由各種色光混合而成的，不同顏色的光折射能力不同.

圖6 牛頓的扁長三棱鏡實驗

3 教學效果

基于研究色散的物理學史的脈絡開展探究教學，有助于學生了解所學知識的形成過程.本節課以“中國古人對彩虹成因的探索→胡克、笛卡爾的失敗實驗→牛頓的白光分解實驗→合成白光實驗→藍光和紅光偏折能力不同的實驗→牛頓的判決性實驗→牛頓的扁長三棱鏡實驗”為線索，不再是簡單地呈現成功的三棱鏡色散實驗，而是將科學探索的艱辛過程鋪展在學習過程中，讓學生親歷前人的探究過程.教師在使用教材的基礎上，對教材的內容進行適度的拓展和延伸，相對于傳統設計的教學有如下特點：

(1)噴水車水霧中出現的彩虹引發了學生極大的興趣，學生的內在驅動力推動其探求彩虹的成因.教學過程中滲透中國古人解釋色散成因的物理學史，提升了學生的人文素養.

(2)基于真實情境設計的兩個失敗的色散實驗，讓學生體會到科學探究的過程并非一蹴而就，而是有艱辛有曲折，培養了學生正確的科學態度與價值觀.

(3)物理是一門以實驗為基礎的學科.學生親自體驗白光的分解和合成的實驗過程，由三棱鏡分解出的單色光清晰可辨，合成的白光效果也很明顯，強化了學生的實驗探索及分析問題的能力，更讓學生感受到物理的對稱之美.

(4)在揭示色散奧秘的實驗中，借用了牛頓的幾個經典實驗，幾個實驗環環相扣，使整堂課的內容更加完整，更好地揭示了色散的奧秘.學生體會到科學探索的過程是一個不斷深化的過程，其間不斷折射出科學家的人格魅力.

4 教學體會

本節課在傳統的三棱鏡色散實驗基礎之上，增加了很多物理學史的素材.彩虹現象的引入，與學生的生活經驗相契合.而后通過古人對彩虹成因的認識，讓學生感受并了解歷史.由胡克和笛卡爾兩個不算成功的實驗，讓學生感受到科學家在實驗探索過程中也經歷著不少曲折.在牛頓研究色散時所做的幾個經典實驗基礎上，略作調整，讓學生親歷實驗過程，追隨科學家的研究步伐，培養了學生的觀察能力、分析能力和推斷能力，使其更清晰地了解白光的本質及色散的成因.