提升物理核心素養的趣味實驗教學探索
——以“光的反射”為例

楊金彭 肖 艷

（1.揚州大學物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225009；2.揚州江都區仙女鎮張綱中學，江蘇 揚州 225211）

在中學物理教學過程中，實驗教學是實現提升學生核心素養的重要環節.通過相關的物理知識聯系和分析生活中所看到的物理現象可以極大地促進學生學習物理知識的熱情，［1-3］在落實“科學思維”和“科學探究”的物理核心素養內涵培養方面有著獨特的作用和價值.本文介紹了一種生活化的光學實驗，其原理主要涉及光的反射和衍射，利用生活中廣泛使用的手機屏幕作為“理想”的平面鏡來探討光的反射現象，研究通過手機屏幕反射的光斑特征，一方面讓學生能夠更好地理解光的反射和衍射原理，另一方面可以拓展學生的科學興趣，提升他們的科學思維，培養他們的科學探索本領.此外，也可以作為實驗教學展示資源，供廣大教師在物理教學中參考和借鑒.

1 現象介紹

使用紅色的激光筆，將一束激光（平行光，波長大小為650nm）照射在手機屏幕上（iPhone7），由于手機屏幕的反光特性，會出現鏡面反射現象.由反射定律可知光在空氣中沿直線傳播發生鏡面反射時，反射角等于入射角.圖1（a）中可以直接看到入射的光線經過手機屏幕的反射之后出射光線與法線成的角度為40°，與入射角度基本一致，滿足光的反射定律.然而有趣的是，如果我們進一步觀察反射光線入射到墻面上所形成的光斑形狀［圖1（b）所示］，會發現其形狀并不是簡單的圓形光斑（類似于入射的激光筆光源形狀）而是出現了明顯規則排列的衍射亮點陣列.利用鏡面反射的知識，我們知道如果入射的光線是平行光，經過鏡面反射之后也應該出現平行光，光斑的大小只與出射光線與屏幕所形成的夾角有關.進一步的研究發現，當我們使用綠色激光筆來代替紅色激光筆時，我們仍然可以發現明顯的綠色衍射亮點陣列［圖1（c）所示］.因此，在墻面上所形成的衍射亮點陣列應該只與手機屏幕的結構有關.

圖1

通過網上調研發現目前市場的手機屏幕種類主要分為兩類：一類是以使用液晶（LCD）顯示技術的屏幕；另一類是使用有機發光（OLED）顯示技術的屏幕.因而進一步我們選取了市場上這兩種不同類型的屏幕（iPhone7的屏幕為LCD，而華為P40的手機屏幕是OLED）來研究反射光斑的特點.圖2給出了利用這兩種不同類型的顯示屏作為鏡面獲得的不同排列的光斑陣列詳細分布圖.圖2（a）中除了可以直觀的看到反射光最強的斑點之外，成長方形規則排列的點陣列清晰可見.另一方面，對于OLED顯示屏而言，呈現平行四邊形規則排列的亮點陣列清晰可見，反射最亮的光斑相比于LCD顯示屏而言更為精細.

圖2

2 現象解釋

對于反射光斑中存在的呈現矩陣排列的亮點，筆者首先利用數碼顯微鏡放大觀察了這兩種屏幕的結構圖，如圖3所示.在一定的放大倍數下，我們可以直觀地分辨出顯示屏上的像素排布特點（LCD中每個小的矩形塊為像素，OLED中每個長條和小點都為像素）.LCD顯示屏上像素的排布成矩形排布，像素之間上下距離看的很清楚，它們之間的排布如圖3（a）中的插圖所示.而華為P40的OLED顯示屏中像素排布明顯存在著不同：一方面，像素的排列方式呈現平行四邊形排布，上一排的像素與下一排的像素存在著明顯的錯位；另一方面每一排的像素排布中綠色小像素是分成了上下兩個小點，而紅色和藍色像素成長條形.通過查閱該類型顯示屏的說明書，這種排布類型被稱為“周冬雨”排列，示意圖如圖3（b）中的插圖所示.從這兩種不同類型的顯示屏實物圖中可以看出，平行光經過這些規則排列的像素小點，反射的光斑會明顯呈現出“光的衍射”效應；矩陣排列的亮點揭示著顯示屏上像素排布的規則和類型，如經過矩形排布像素反射的光斑呈現矩形的陣列，而錯位排布的OLED像素反射的光斑呈現出平行四邊形陣列.

圖3

使用的激光筆發射出的光源其方向性較好，根據幾何和波動光學的知識可知，當一束激光照射到有規則排布的“反射鏡面陣列”上的時候，除了會發生光的反射之外，還會出現光的衍射現象.在實驗中所看到情況的確也證實了這兩種現象的存在：最亮的、較大的光斑的確驗證了鏡面反射定律；而其他規則排列的亮點陣列也意味著光的衍射不可避免.利用光的衍射［如圖4（a）所示］中的反射光柵方程，當平行光照射到反射光柵上，反射的光之間由于存在著干涉現象，其光強的分布位置滿足d（sinθ-sinθ0）=mλ，其中d為光柵常數（實驗中代表這像素之間相鄰的間隔），θ0為入射角，θ為出射角，m為衍射級數.圖4（b）中給出了考慮實際實驗中的三維特性，相應地畫出了在實際空間中存在的光的衍射陣列示意圖：圖中W代表墻面到屏幕入射點的距離，實驗中為33cm［圖1（b）所示］；H0代表手機屏幕到出射光斑的垂直距離；h為衍射點的上下間隔；Δw為衍射點的左右間隔；θud為衍射點上下方向上的出射角；θlr為衍射點左右方向上的出射角.根據方程（1），我們可以計算手機屏幕像素之間沿著入射方

圖4

向上的距離間隔d1為

而手機像素在前后方向上的距離間隔d2為

利用表達式（1）和 （2），計算得到 LCD 和OLED顯示屏每個像素在沿光線入射方向和垂直于入射方向之間的實驗數據，如表1所示.

表1 不同類型手機屏幕所測的數據與報道的數據對比

通過實驗數據分析，我們可以得到以下結論：（1）所測量得到的像素間隔與網絡上實際報道的數據基本吻合；（2）測得的像素間隔都略大于實際報道的像素間隔，主要是因為每個像素之間還是存在著一定的縫隙，如圖3所示；（3）OLED手機屏的像素排布明顯要密集于LCD手機屏，這也是為什么使用OLED手機屏的觀看效果要好于LCD的原因.由于OLED顯示屏上面的像素排布并不是垂直于入射方向，因而我們在這里不考慮計算其d1的大小.

3 教學運用與探究

基于物理學科核心素養的“科學思維”主要包含模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.通過光學反射現象的趣味實驗教學引入和演示，不僅可以增強學生對光反射概念的掌握和對光反射知識的運用，同時還能夠實現引導學生遷移、拓展科學知識的運用能力，培養學生運用歸納與演繹推理方法解決生活中的實際物理問題.對于光的反射教學過程中，具體表現在如下4點.

（1）課堂中使用的激光筆照射在普通的鏡面上，直接能夠展示出光反射的物理現象，通過對入射光和反射光的角度觀測，歸納出反射定律，實現光反射的物理定律掌握.

（2）利用激光筆照射在手機屏幕上，除了演示出光反射的現象外，還能夠展示“額外”的衍射亮點，引導學生自我提出問題，衍射亮點的來源于哪里？

（3）通過對比普通鏡面的實驗結果和利用不同手機屏幕來觀察衍射圖案，引導學生推理出“額外”衍射亮點的來源應該與手機屏幕的結構有關.

（4）結合網上調研和屏幕微觀結構的展示，引出微小結構的“小鏡面-像素”陣列可以實現反射光斑出現衍射圖案，引起學生的直接思考與質疑，最終得出光的傳輸具有波動性.

此外，科學探究是學生認識物理現象、研究物理規律的重要手段.在物理課堂中開展趣味物理實驗對于全面提高學生的核心素養具有重要意義.“生活化”的趣味光反射實驗的引入，能讓學生在高度專注的課堂狀態下，深入理解光反射的物理概念和反射定律，同時還能夠引導學生探究出光傳輸的特性不僅僅是直線傳輸（光的粒子性），光的傳輸還可以類比于“波”（光的波動性），從而激發學生在對于光傳輸的“額外亮點”的相關物理知識學習和探索.這樣有助于學生的科學探究素養的培養，其具體表現在如下幾點.

（1）問題的引入，直線傳輸的光，對應的光斑為什么會出現衍射陣列？

（3）結合光柵方程，解釋衍射光斑圖形與屏幕像素之間的對應關系，理解二維光柵的概念、光傳輸的波動性.

（4）拓展學生自主探討不同類型的手機屏幕與衍射光斑的關系，得出如何通過物理手段驗證不同屏幕之間像素的疏密和排布等性質.

4 歸納總結

筆者在基于中學物理知識的基礎上對光的反射所形成的光斑呈現矩陣排列的亮點形成的原理做了簡單的分析，利用光的反射和衍射知識進行了定性的理解，并通過實驗進行了計算，揭示了手機顯示屏內部的像素分布結構和其像素排列的間隔，其結果與理論分析基本一致.相比于傳統的光的反射實驗，利用生活中的常見物品展現并拓展相關的物理知識，本實驗更具有趣味性，不僅僅是教師可以在課堂上直接展示，學生在家庭里也可以進行自主探索，因而既豐富了教學內容，也提升了學生的“科學思維”和“科學探究”能力.當然，教師也可以對實驗進行進一步研究，例如，考慮不同距離、不同入射角度探索光的反射和衍射帶來的亮點陣列的演變.最后，通過學習書本中的物理知識，結合現代社會中的“虛擬化”、“數字化”平臺的載體-智能手機，希望能夠讓生活化的物理實驗在學生提升科學思維能力、增強科學探究能力方面充分發揮其特色優勢.