核心素養視角下的初高中物理教學銜接①
——以“光的全反射”教學為例

葛永普

(貴州省畢節市第一中學,貴州 畢節 551700)

發展學生核心素養是高中物理的課程目標,組織和優化課堂教學,應以核心素養為指向。針對初、高中物理教學銜接問題,本文以“光的全反射”教學為例,進行實驗進階和創新設計,力圖促進學生主動獲取知識,掌握光的全反射規律及其應用。

1 基于實驗進階的課程內容和教學目標分析

1.1 課程內容

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對“光的全反射”內容的要求為:“知道光的全反射現象及其產生的條件。初步了解光纖的工作原理、光纖技術在生產生活中的應用。”[1]基于對課程內容的分析,確定以實驗為中心進行進階設計,讓學生依次學習光的直線傳播、光的反射、光的全反射、光發生全反射的條件、光纖通信原理、光纖通信的技術應用,體驗科學探究過程,了解光纖技術在生產生活中的應用。

1.2 教學目標

(1) 自主構建光的全反射概念,了解光纖的工作原理;

(2) 提升科學探究意識及能力,能夠合理提出問題,形成假設,進行評估和反思;

(3) 進一步認識生活中的光現象,了解光的全反射、光纖通信的應用,養成學生的科學態度與責任。

2 基于實驗進階的“光的全反射”教學

2.1 以實驗激活學生思維

(1) 神奇的“玻璃小球”

問題:如圖1所示,將玻璃小球放入試管中,然后將試管斜插入盛水的大燒杯中,從水面上方觀察水中的試管,與從側面看見的試管有何區別?能看到玻璃小球嗎?接著向試管中注入清水,又會看到什么現象?

圖1

實驗現象:先將玻璃小球放入試管,能看到試管中的玻璃小球;試管斜插入水中,試管內壁好像鍍了一層銀,玻璃小球不見了;再往試管中注入清水,玻璃小球又重新顯現。

設計意圖:利用奇妙的現象激發學生的學習興趣和求知欲望。

(2) 神奇的“水流光”

問題:如圖2所示,在透明礦泉水瓶離瓶口7 cm處開一個直徑為0.5 cm的小孔,便于水流出。在瓶身離底部1 cm處開一個直徑為0.3 cm的小孔,此孔便于控制水的流出。其他器材有水槽、激光筆等。用手指堵住瓶底部小孔,將塑料瓶裝滿水并擰住瓶蓋倒置,由于大氣壓的作用,瓶里面的水不會流出;打開激光筆將光源從瓶身一側對準直徑為0.5 cm的小孔,待穩定后,移開堵住小孔的手指,觀察實驗現象,還能看到光沿直線傳播嗎?你看到了什么現象?

圖2

實驗現象:沒有移開堵住小孔的手指時,綠色激光透過側面小孔沿直線傳播;移開手指后,綠色激光順彎曲水流傳播(圖2)。

設計意圖:引導學生體驗實驗過程,觀察奇妙現象,激發認知沖突,引發積極思維。

2.2 通過實驗建構概念、總結規律

(1) 光在水和玻璃中的傳播

問題:當光從空氣斜射向玻璃時,光線向什么方向偏折?折射角與入射角有什么關系?當光從玻璃斜射向空氣時,光線向什么方向偏折?折射角與入射角又有什么關系?

實驗現象:光從空氣斜射入玻璃,光線向法線偏折(圖3);光從玻璃斜射入空氣,光線遠離法線偏折(圖4)。對于折射率不同的兩種介質,我們把折射率較小的稱為光疏介質,折射率較大的稱為光密介質。[2]

圖3

圖4

設計意圖:由光的折射現象的復習,構建光疏介質和光密介質的概念。理解光疏介質和光密介質具有相對性,單獨一種介質不能定義為光疏介質或光密介質。

(2) 光的全反射

問題:如圖5所示,實驗儀由利用激光筆改裝的面光源、半圓形玻璃磚、帶有刻度的圓盤及底座組成。打開光源旋轉圓盤,讓光從“0”刻度位置入射,觀察光的傳播方向,光的傳播方向有沒有改變?讓入射角從0°開始增加,入射光線、折射光線的方向怎樣改變?入射角、折射角、反射角的大小怎樣改變?當折射角增大到90°時,再增大入射角會出現什么現象?結合光疏介質、光密介質概念,學生得出結論:只有光從光密介質射入光疏介質時,才可能出現折射光完全消失現象,并且當入射角增大到某一個值時,折射光才能完全消失,只剩下反射光,這種現象叫作光的全反射。此時的入射角有特別的意義,叫作臨界角,用C表示。發生全反射需要滿足什么條件?

圖5

實驗現象:當入射角小于C時,既有反射光又有折射光,入射角增大時,折射角增大;當入射角增大到C時,折射光消失了。

A. 入射角大于45°時,會發生全反射現象

B. 無論入射角多大,折射角都不超過45°

C. 欲使折射角等于30°,應以45°入射角入射

設計意圖:強化學生對全反射現象的理解,會運用全反射產生的條件進行簡單計算。

2.3 完成實驗探究,拓展知識應用

1966年高錕提出:光通過直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以傳輸大量信息。高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎,根據這一理論制造的光導纖維已經普遍應用到通信領域。

(1) 光在細玻璃管中液柱內的傳播

問題:在初中階段我們學習了光的直線傳播,光的直線傳播需要什么條件?請同學們觀察激光在玻璃管中液柱內的傳播情況(圖6),為什么會發生此現象?

圖6

實驗現象:光在細管玻璃中液柱內沿折線傳播,在傳播過程中發生了全反射。

設計意圖:復習初中物理知識:光在同種均勻介質中沿直線傳播,引導學生通過實驗,將光的直線傳播、光的折射與光的全反射現象有機結合起來,通過感知全反射現象,培養學生的科學探究能力。

(2) 激光傳輸信息

問題:學習了光的全反射以后,能不能用光來傳輸信息呢?怎樣傳遞信息?

教師利用自制的“光纖通信的可視化演示儀”進行演示(圖7)。

圖7

實驗現象:(1) 將聲音信號轉變為電流信號,通過導線傳播,使揚聲器發聲;

(2) 將載有音頻信號的激光,通過光纖傳播,再由光敏電阻接收,并解調為電信號,通過放大,使揚聲器發聲。

設計意圖:通過對比實驗,讓學生知道激光傳輸信息的基本原理,拓展全反射知識的應用。

3 結語

基于核心素養的實驗進階教學,使學生在初中認知的基礎上,循序漸進地整合和理解零散的知識片段,加強同一知識在不同學段的聯系,促進學生構建完整的知識體系。讓學生觀察光的直線傳播、光的反射、光的全反射現象,了解光纖通信原理及其應用,將本節內容在初中物理知識基礎上螺旋式提升,實現初、高中物理教學的有效銜接,促進學生的深度學習,提高學生的核心素養。