滲透物理學(xué)史的“光的色散”教學(xué)設(shè)計(jì)*

蔣麗艷

(蘇州高新區(qū)第一初級(jí)中學(xué)校 江蘇 蘇州 215009)

1 引言

物理學(xué)史是歲月長(zhǎng)河中人類認(rèn)識(shí)自然界各種物理現(xiàn)象，研究物理學(xué)各種規(guī)律的發(fā)生和發(fā)展的歷史過(guò)程.在物理規(guī)律被揭開之前，科學(xué)家們?cè)跉v史的漩渦中歷經(jīng)掙扎.新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象挑戰(zhàn)舊理論，不同對(duì)立的理論在彼此的爭(zhēng)斗中取得新的進(jìn)展，如“微粒說(shuō)”與“波動(dòng)說(shuō)”在200多年的彼此交鋒中接受了德布羅意的“波粒二象性”學(xué)說(shuō).在物理教學(xué)的過(guò)程中，教師若能將學(xué)生帶入物理學(xué)史的某個(gè)事件中，經(jīng)歷不同科學(xué)家探究規(guī)律的歷程，感受到科學(xué)的魅力，就能提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，也有助于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、批判的精神.牛頓對(duì)光學(xué)的研究以色散最為突出.牛頓從笛卡爾的棱鏡實(shí)驗(yàn)得到啟發(fā)，又借鑒胡克和玻意耳的分光實(shí)驗(yàn)[1]，成功地總結(jié)出了色散的規(guī)律.

2 教學(xué)過(guò)程

色散是一個(gè)古老的課題，從中國(guó)古代開始就有關(guān)于彩虹現(xiàn)象的記載.學(xué)生在日常生活中也能觀察到彩虹，從彩虹現(xiàn)象引入，符合物理學(xué)的歷史發(fā)展，也更貼近學(xué)生的生活.

2.1 引入課題——古人對(duì)虹的認(rèn)識(shí)

活動(dòng)1：觀看灑水車噴水時(shí)出現(xiàn)人造彩虹的視頻(截屏如圖1).

師：殷代甲骨文就有關(guān)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(rèn)為彩虹有5種顏色.彩虹的形成是與水滴有關(guān)，還是與太陽(yáng)光有關(guān)呢？

學(xué)生思考：若無(wú)水滴，形成不了彩虹；若無(wú)陽(yáng)光，也不會(huì)出現(xiàn)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(dá)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(rèn)為虹是太陽(yáng)光照射雨滴所產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象[2].南宋朱熹對(duì)彩虹的成因有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在《朱子語(yǔ)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(xiàn)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(chǎn)生虹現(xiàn)象呢？生活中還有其他物體也能呈現(xiàn)類似現(xiàn)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(yáng)下能呈現(xiàn)不同顏色的現(xiàn)象.李時(shí)珍指出，較大的六棱形水晶和較小的水晶珠都能將太陽(yáng)光分光.

設(shè)計(jì)意圖：從人造彩虹出發(fā)，激發(fā)學(xué)生探索背后原因的興趣，設(shè)疑激疑，再通過(guò)古人對(duì)彩虹形成的原因解釋及其他物體也能產(chǎn)生虹現(xiàn)象的介紹，讓學(xué)生了解歷史.

2.2 實(shí)驗(yàn)探究——光的色散

師：中國(guó)古人對(duì)虹現(xiàn)象的解釋是比較零散的，大多帶有經(jīng)驗(yàn)性.早在13世紀(jì)，國(guó)外的科學(xué)家也對(duì)虹的成因進(jìn)行了探討.德國(guó)的傳教士西奧多里克，利用裝滿水的大玻璃球殼，在太陽(yáng)下模擬了天上的彩虹.但他認(rèn)為各種顏色的產(chǎn)生是由于光受到不同阻滯所引起的，沒(méi)有擺脫亞里士多德認(rèn)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(dòng)2：胡克利用燒瓶做了分光實(shí)驗(yàn)，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(lái)回顧一下胡克的分光實(shí)驗(yàn).

活動(dòng)3：笛卡爾用三棱鏡將太陽(yáng)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(shí)驗(yàn).如圖2所示.

圖2 三棱鏡離屏較近時(shí)的場(chǎng)景

生：看到了光帶兩側(cè)分別呈現(xiàn)藍(lán)色和紅色.

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題的能力.通過(guò)物理史實(shí)，使學(xué)生知曉科學(xué)的道路并非一帆風(fēng)順.

師：為什么沒(méi)有出現(xiàn)像彩虹一樣多彩的顏色呢？

學(xué)生思考.

師：牛頓也在思考這個(gè)問(wèn)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(cè)帶顏色的光斑，而牛頓的高明之處是將投射的距離擴(kuò)展成6～7 m，我們感受一下投射距離拉大后的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景.

活動(dòng)4：學(xué)生操作三棱鏡分解太陽(yáng)光(室內(nèi)可用平行光源)的實(shí)驗(yàn).

生匯報(bào)：太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡后，被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等顏色.

2.3 深入探究——白光的本質(zhì)

師：彩色的光帶是如何形成的呢？

生猜測(cè)：(1)七色光帶可能是白光經(jīng)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(chǎn)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(shuō)明光帶是由三棱鏡產(chǎn)生的.如何操作，才能將七色光重新混合呢？

生討論匯報(bào)：將另一個(gè)三棱鏡倒置放置，可能重新合成白光.

活動(dòng)5：用2個(gè)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(bào)：白光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種色光組成的.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)學(xué)生對(duì)彩色光帶形成原因的猜想，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力.讓學(xué)生通過(guò)再次合成白光的討論，培養(yǎng)逆向思維能力，感受物理的對(duì)稱美.

2.4 揭示本質(zhì)——色散的奧秘

活動(dòng)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(guò)三棱鏡觀察現(xiàn)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(lán)色，上面的線為紅色，藍(lán)色的線比紅色的線偏折得厲害.

師：藍(lán)光比紅光的折射能力強(qiáng)，為了說(shuō)明白光確實(shí)是由折射性能不同的光組成的，牛頓還做了一個(gè)很有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)，被稱為“判決性實(shí)驗(yàn)”(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(jìn)入F后經(jīng)棱鏡折射穿過(guò)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(yuǎn)，板上也開有小孔g，在g后面也放有一塊三棱鏡abc，使穿過(guò)的光再折射后抵達(dá)墻壁MN.牛頓手持第一塊棱鏡ABC，緩慢繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過(guò)g到達(dá)三棱鏡abc[1].哪種光被折射得最厲害呢？這說(shuō)明了什么？

圖5 牛頓的判決性實(shí)驗(yàn)

生：紫光.由此說(shuō)明，白光確實(shí)由折射性能不同的光組成.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)三棱鏡觀察發(fā)現(xiàn)，由紫線(紅色和藍(lán)色混合成的紫色)分出來(lái)的藍(lán)線偏折厲害，再由光的色散實(shí)驗(yàn)中光譜的顏色順序推斷出最外側(cè)的紫光偏折最厲害，以此培養(yǎng)學(xué)生的推斷能力及邏輯思維能力.

師：牛頓的實(shí)驗(yàn)證據(jù)充分，但人們一時(shí)無(wú)法接受.特別是胡克，他認(rèn)為牛頓的這個(gè)實(shí)驗(yàn)不具有判決性，因?yàn)闊o(wú)法解釋薄膜的顏色.為此，幾年后牛頓又利用一只長(zhǎng)而扁的三棱鏡做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)(如圖6).扁長(zhǎng)的三棱鏡產(chǎn)生的光譜相當(dāng)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(gè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有變換棱鏡，只是變化了屏的角度，進(jìn)一步說(shuō)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(zhǎng)三棱鏡實(shí)驗(yàn)

3 教學(xué)效果

基于研究色散的物理學(xué)史的脈絡(luò)開展探究教學(xué)，有助于學(xué)生了解所學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程.本節(jié)課以“中國(guó)古人對(duì)彩虹成因的探索→胡克、笛卡爾的失敗實(shí)驗(yàn)→牛頓的白光分解實(shí)驗(yàn)→合成白光實(shí)驗(yàn)→藍(lán)光和紅光偏折能力不同的實(shí)驗(yàn)→牛頓的判決性實(shí)驗(yàn)→牛頓的扁長(zhǎng)三棱鏡實(shí)驗(yàn)”為線索，不再是簡(jiǎn)單地呈現(xiàn)成功的三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)，而是將科學(xué)探索的艱辛過(guò)程鋪展在學(xué)習(xí)過(guò)程中，讓學(xué)生親歷前人的探究過(guò)程.教師在使用教材的基礎(chǔ)上，對(duì)教材的內(nèi)容進(jìn)行適度的拓展和延伸，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)有如下特點(diǎn)：

(1)噴水車水霧中出現(xiàn)的彩虹引發(fā)了學(xué)生極大的興趣，學(xué)生的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)其探求彩虹的成因.教學(xué)過(guò)程中滲透中國(guó)古人解釋色散成因的物理學(xué)史，提升了學(xué)生的人文素養(yǎng).

(2)基于真實(shí)情境設(shè)計(jì)的兩個(gè)失敗的色散實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究的過(guò)程并非一蹴而就，而是有艱辛有曲折，培養(yǎng)了學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀.

(3)物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.學(xué)生親自體驗(yàn)白光的分解和合成的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索及分析問(wèn)題的能力，更讓學(xué)生感受到物理的對(duì)稱之美.

(4)在揭示色散奧秘的實(shí)驗(yàn)中，借用了牛頓的幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，幾個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)環(huán)相扣，使整堂課的內(nèi)容更加完整，更好地揭示了色散的奧秘.學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探索的過(guò)程是一個(gè)不斷深化的過(guò)程，其間不斷折射出科學(xué)家的人格魅力.

4 教學(xué)體會(huì)

本節(jié)課在傳統(tǒng)的三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，增加了很多物理學(xué)史的素材.彩虹現(xiàn)象的引入，與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)相契合.而后通過(guò)古人對(duì)彩虹成因的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生感受并了解歷史.由胡克和笛卡爾兩個(gè)不算成功的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受到科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)探索過(guò)程中也經(jīng)歷著不少曲折.在牛頓研究色散時(shí)所做的幾個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，略作調(diào)整，讓學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程，追隨科學(xué)家的研究步伐，培養(yǎng)了學(xué)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(zhì)及色散的成因.