利用自制加濕噴霧器改進(jìn)“光的反射”相關(guān)實(shí)驗(yàn)

曹鍵糧 彭朝陽(yáng) 朱興磊

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500) (會(huì)澤縣茚旺高級(jí)中學(xué) 云南 曲靖 654200)

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠幫助學(xué)生有效地建立物理概念、理解物理規(guī)律和掌握物理知識(shí)，是物理教學(xué)的重要組成部分，也是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑.但是教材中有些實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)儀器還存在一些不足之處，再考慮到不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件使得實(shí)驗(yàn)進(jìn)行起來(lái)不易操作或者現(xiàn)象不夠明顯直觀，無(wú)法充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中的重要作用及優(yōu)勢(shì).以“光的反射”為例，筆者對(duì)滬科版教材中“光的反射”這一節(jié)內(nèi)容中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新.

1 “光的反射”實(shí)驗(yàn)分析

1.1 教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

滬科版八年級(jí)物理第4章第1節(jié)中“光的反射”是學(xué)生接觸到的第一個(gè)有關(guān)光學(xué)規(guī)律的探究實(shí)驗(yàn)，也是后面探究學(xué)習(xí)其他光學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，并且課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)內(nèi)容的要求是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究總結(jié)得出光的反射定律，可見本節(jié)實(shí)驗(yàn)的重要性.

教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原文引述如下.

探究光的反射規(guī)律：

實(shí)驗(yàn)所需的器材有光源、平面鏡、可折轉(zhuǎn)的光屏.按圖1裝配好實(shí)驗(yàn)器材.

圖1 教材中光的反射實(shí)驗(yàn)裝置

(1)讓入射光線沿光屏投射到平面鏡上，觀察反射光線的方向.

(2)將有反射光線的半個(gè)光屏向后折轉(zhuǎn)一個(gè)角度，觀察光屏上還有反射光嗎？為什么？

(3)研究反射光線、法線、入射光線之間的相互位置關(guān)系.

(4)研究反射角和入射角的大小關(guān)系.

從大量實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)得出光的反射規(guī)律.

1.2 教材中實(shí)驗(yàn)存在的不足

教材上探究光的反射規(guī)律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可謂是簡(jiǎn)單、明了，但是在實(shí)際教學(xué)中操作起來(lái)并不簡(jiǎn)單，并且邏輯不夠嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)驗(yàn)效果不夠理想，具體分析如下.

(1)實(shí)驗(yàn)中需要光線緊貼著光屏而且剛好投射到入射點(diǎn)才能在光屏上同時(shí)觀察到入射光線和反射光線，這一過(guò)程不易調(diào)節(jié)；并且在探究?jī)山窍嗟葧r(shí)需要不斷改變?nèi)肷涔饩€，就需花很長(zhǎng)時(shí)間不斷調(diào)節(jié)光線保證它出現(xiàn)在光屏上，實(shí)驗(yàn)效率低下.

(2)教材中實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)步驟，第一步讓學(xué)生觀察光的反射現(xiàn)象，第二步探究三線共面，第三步探究?jī)删€異側(cè)，第四步探究?jī)山窍嗟?教材中是通過(guò)光屏呈現(xiàn)出光路，并且首先讓學(xué)生觀察光屏上的入射光線和反射光線，這相當(dāng)于已經(jīng)默認(rèn)了反射光線、法線、入射光線在同一平面內(nèi)，接下來(lái)又進(jìn)行三線共面的探究，這樣的設(shè)計(jì)邏輯上并不嚴(yán)謹(jǐn).導(dǎo)致出現(xiàn)這樣的結(jié)果原因就在于呈現(xiàn)光路的方式出現(xiàn)了問(wèn)題.

(3)實(shí)驗(yàn)中的光的反射現(xiàn)象只是呈現(xiàn)在某一個(gè)平面上，無(wú)法讓學(xué)生多角度、全方位地觀察整個(gè)空間中的入射光線和反射光線；單一平面光線的呈現(xiàn)形式也使大多方位的學(xué)生觀察效果欠佳.

(4)在探究三線共面時(shí)，當(dāng)半個(gè)光屏向后折轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，在光屏上只觀察到入射光線而反射光線不見了，這就能說(shuō)明三線共面嗎？那反射光線到底在哪？是否也發(fā)生了折轉(zhuǎn)？這一系列的問(wèn)題還未解決就得出三線共面的規(guī)律并不具有說(shuō)服力.

(5)實(shí)驗(yàn)中在白色光屏上探究?jī)山窍嗟葧r(shí)，不斷改變?nèi)肷浣?，需要在白色光屏上描繪出各次入射光線和反射光線的徑跡，之后再來(lái)量取角度，這樣操作起來(lái)煩瑣、耗時(shí).

2 自制加濕器改進(jìn)“光的反射”實(shí)驗(yàn)

上述存在的問(wèn)題不僅影響實(shí)驗(yàn)效果，而且也會(huì)使學(xué)生懷疑實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性.經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)最為突出的問(wèn)題出現(xiàn)在光路的呈現(xiàn)形式上，所以筆者通過(guò)自制的加濕噴霧器來(lái)改變光路的呈現(xiàn)形式從而突破以上問(wèn)題，具體如下.

實(shí)驗(yàn)器材:塑料盒、霧化頭、小風(fēng)扇、發(fā)紅光和綠光的激光筆各一只、小平面鏡、鐵架臺(tái)、標(biāo)有角度的光屏.

實(shí)驗(yàn)原理:加濕器的主要原件是霧化頭，霧化頭上裝有超聲波霧化片，通過(guò)霧化片的高頻諧振將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，再通過(guò)小風(fēng)扇把水霧朝某一方向吹去，就能形成連續(xù)不斷的水霧，通過(guò)水霧把光傳播的路徑呈現(xiàn)出來(lái)實(shí)現(xiàn)讓光線回歸到三維空間,如圖2所示，有利于進(jìn)行“光的反射”實(shí)驗(yàn)探究.

圖2 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程:(1)接通自制加濕噴霧器的電源，水霧從出霧口連續(xù)噴出，激光筆發(fā)出的光線穿過(guò)水霧射到平面鏡上，便可以觀察到清晰、真實(shí)的入射光線和反射光線,如圖3所示.

圖3 通過(guò)水霧呈現(xiàn)光傳播的路徑

并且可以在空間中任意方位、任意角度演示光的反射現(xiàn)象,便于不同方位學(xué)生觀察.在觀察反射現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)反射光線和入射光線總是呈現(xiàn)“你左我右，你前我后”的狀態(tài)，便容易想到反射光線和入射光線可能是對(duì)稱的，從而由對(duì)稱軸引出“法線”的概念可加深學(xué)生的理解，進(jìn)一步進(jìn)行兩線異側(cè)的實(shí)驗(yàn)探究.以激光筆發(fā)出的紅色光線作為法線，綠色光線作為入射光線，讓入射光線以入射點(diǎn)為基點(diǎn)任意變換讓學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)不管任意方位入射光線與反射光線總是位于法線兩側(cè)，進(jìn)而總結(jié)出兩線異側(cè)的規(guī)律,如圖4所示.

圖4 演示入射光線和反射光線的關(guān)系

(2)三線共面是兩角相等的前提，所以接下來(lái)進(jìn)行三線共面的實(shí)驗(yàn)探究.在上一步兩線異側(cè)的基礎(chǔ)上用光屏進(jìn)行參照引導(dǎo)學(xué)生猜想三線是否共面,如圖5所示.接著將有反射光線的半個(gè)光屏向后折轉(zhuǎn)一個(gè)角度，學(xué)生仍然可以清楚地看到反射光線，并且同時(shí)也可以看到反射光線并沒(méi)有跟隨光屏折轉(zhuǎn),如圖6所示.說(shuō)明反射光線仍處于剛才那一平面，進(jìn)一步總結(jié)出三線共面的規(guī)律.

圖5 利用光屏進(jìn)行參照，演示三線關(guān)系

圖6 將光屏折轉(zhuǎn)，觀察反射光線

(3)探究?jī)山顷P(guān)系時(shí)，只需要將標(biāo)有角度的光屏直接貼近入射光線和反射光線便可以快速讀出入射角與反射角的大小,如圖7所示.以此重復(fù)多次記錄下多組反射角和入射角的大小，分析數(shù)據(jù)總結(jié)得出兩角相等的關(guān)系.

圖7 觀察入射角和反射角的大小

3 效果及評(píng)價(jià)

(1)通過(guò)對(duì)教材上實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新突破了光路的呈現(xiàn)形式，能夠?qū)⒐馄辽系亩S光路跳出光屏呈現(xiàn)在三維空間中，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加形象、直觀，更具有科學(xué)性.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)不易受到環(huán)境光照情況的影響，便于全體學(xué)生多方位的觀察，大大增加了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可見度與可視范圍；同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)操作難度，能夠很好地幫助學(xué)生探究、理解光的反射定律.

(2)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器讓學(xué)生先觀察立體空間的光的反射現(xiàn)象，再回到某一平面探究三線共面，避免了原有實(shí)驗(yàn)邏輯上不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋锥?

(3)成品加濕器價(jià)格昂貴出霧量小，但通過(guò)自制的方式可增加霧化頭數(shù)量增大出霧量，且成本低可大量制作；實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，除了可以進(jìn)行演示，也可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn).

(4)自制加濕噴霧器突破了原有光路的呈現(xiàn)形式，不僅可以改進(jìn)光的反射實(shí)驗(yàn)，還可以完成一些初中常見的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如光的直線傳播、光路可逆、鏡面反射與漫反射、凸面鏡和凹面鏡對(duì)光線的作用、光的折射、凸透鏡和凹透鏡對(duì)光線的作用等.

1)鏡面反射與漫反射.在關(guān)于鏡面反射和漫反射的實(shí)際教學(xué)中，大多都是讓學(xué)生直接看教材上鏡面反射和漫射的光路圖或者讓學(xué)生動(dòng)手作圖來(lái)學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)，然后通過(guò)學(xué)生的想象再解釋一些自然現(xiàn)象.而利用加濕噴霧器便可把光路真實(shí)、形象地呈現(xiàn)出來(lái)，更利于學(xué)生理解與學(xué)習(xí),如圖8(a)，(b)所示.

圖8 鏡面反射與漫反射實(shí)驗(yàn)演示

2)凸面鏡與凹面鏡對(duì)光線的作用.凸面鏡和凹面鏡是生活中應(yīng)用廣泛的兩類球面鏡，學(xué)生在學(xué)習(xí)了平面鏡成像的知識(shí)后需要對(duì)生活中凸面鏡和凹面鏡應(yīng)用現(xiàn)象進(jìn)行解釋.但是目前平面光路的呈現(xiàn)形式是無(wú)法演示出凸面鏡和凹面鏡對(duì)光線的作用，所以學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)僅停留在對(duì)知識(shí)記憶的層面.自制加濕噴霧器可呈現(xiàn)出三維空間的光路便可以突破這一問(wèn)題，圖9所示為利用該儀器可清晰地演示出凹面鏡對(duì)光線的匯聚作用.

圖9 凹面鏡對(duì)光線的匯聚

3)凸透鏡與凹透鏡對(duì)光線的作用.利用加濕噴霧器可呈現(xiàn)出三維空間的光路這一特點(diǎn)，也可以將凸透鏡與凹透鏡的空間光路呈現(xiàn)出來(lái)，圖10清楚地呈現(xiàn)出了凸透鏡對(duì)光線具有匯聚作用.

圖10 凸透鏡對(duì)光線的匯聚