“光的折射”教學(xué)設(shè)計(jì)思路及案例

譚慶仁

(鎮(zhèn)江市教育局教研室 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

周小奮

(鎮(zhèn)江市第四中學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

在2012年江蘇省初中物理優(yōu)課評(píng)比活動(dòng)中，筆者之一執(zhí)教的課題是“光的折射”．這節(jié)課在實(shí)驗(yàn)的可視化和大型化上準(zhǔn)備充分，并能有效地創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學(xué)生解決其在“最近發(fā)展區(qū)”上的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，最終獲得了該課題組一等獎(jiǎng)．今呈現(xiàn)其教學(xué)設(shè)計(jì)思路及本課案例并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，以供大家探討．

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

1.1 內(nèi)容及其教育價(jià)值是什么

(1)“光的折射”是初中光學(xué)核心現(xiàn)象之一，它對(duì)于“透鏡”等后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)，起著關(guān)鍵的作用．

(2)“光的折射”的學(xué)習(xí)過程，是一個(gè)典型的物理知識(shí)的建構(gòu)過程，其中蘊(yùn)含著豐富的物理思想和方法．讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的過程，將有助于提高他們的物理學(xué)科素養(yǎng)．

1.2 與其他教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系

(1)知識(shí)內(nèi)容(承上啟下).

(2)思想方法(一脈相承).

圖1 與其他教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系框圖

1.3 可能的困難

(1)概念抽象

光的折射現(xiàn)象雖常見，但是由于無法直接看見光的傳播路徑，因此學(xué)生很難從日常生活中的常見折射現(xiàn)象中提煉出光的折射規(guī)律．

(2)知識(shí)綜合

光的折射特點(diǎn)比光的直線傳播、光的反射復(fù)雜，對(duì)學(xué)生的知識(shí)概括能力、邏輯思維能力提出了更高的要求．

1.4 教學(xué)策略

(1)教學(xué)思路

(2)教學(xué)方式：探究學(xué)習(xí)

圖2 教學(xué)方式框圖

教學(xué)策略一：實(shí)驗(yàn)感知，豐富物理表象

演示實(shí)驗(yàn)：光學(xué)“黑盒”使入射光線平移，光學(xué)“黑盒”對(duì)光發(fā)生了怎樣的作用？

演示實(shí)驗(yàn)：引光入“井底”，得到光的折射規(guī)律．

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：定性探究光線通過玻璃磚的折射特點(diǎn)．

演示實(shí)驗(yàn)：光線被“吹沒了”，引起學(xué)生的思維興趣．

演示實(shí)驗(yàn)：“水磚”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)生的理論推導(dǎo)．

演示實(shí)驗(yàn)：光垂直入射時(shí)，折射角的大小．

演示實(shí)驗(yàn)：入射角增大時(shí)，折射角的變化情況．

演示實(shí)驗(yàn)：硬幣“浮起”，引入光的折射特點(diǎn)的應(yīng)用．

教學(xué)策略二：?jiǎn)栴}導(dǎo)引，設(shè)置認(rèn)知臺(tái)階

問題1：光學(xué)“黑盒”對(duì)光發(fā)生了怎樣的作用？

光線通過玻璃磚被整體平移——光沒有沿直線傳播(光路改變)．

問題2：如何將照射到容器側(cè)壁上的光引入容器底部？

方法1：光的反射——用平面鏡改變光路.

方法2：光的折射——加水來改變光路．

問題3：玻璃磚中有沒有光線？

學(xué)生的光路圖中缺少玻璃磚中的那部分，幾乎所有學(xué)生都認(rèn)為“看不見玻璃磚中的光線，所以其中沒有光線”．通過演示實(shí)驗(yàn)：光線被“吹沒了”——讓學(xué)生了解“看不見”不等于“沒有”．

問題4：如何畫出玻璃磚中的光線？

知識(shí)基礎(chǔ)：(1)玻璃磚的左右兩側(cè)有入射點(diǎn)和出射點(diǎn)．

(2)光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播．

畫玻璃磚中光線的方法——直接連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn)．

問題5：根據(jù)光路圖，對(duì)照光的反射，請(qǐng)歸納出光通過玻璃磚時(shí)的折射特點(diǎn)．

分為光從空氣斜射入玻璃中和光從玻璃斜射到空氣中兩種情況分別歸納——?dú)w納要注意全面性．

問題6：碗中加水后，看見的硬幣在什么地方？

硬幣原來被磁鐵吸引在碗底，人眼看不見．加水后硬幣“上浮”，重新被看見．看見的硬幣在哪兒？由于還沒有折射成像的知識(shí)，學(xué)生會(huì)認(rèn)為看見的“硬幣”還在原來的位置——折射也能成像，看見的硬幣在真實(shí)硬幣的上方．

2 教學(xué)案例

2.1 設(shè)疑引入

演示實(shí)驗(yàn)：光的直線傳播．

師：這是什么現(xiàn)象？

生：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播．

圖3

師：這是一個(gè)光學(xué)器件(展示被封裝好的玻璃磚，相當(dāng)于光學(xué)黑盒)，老師將這個(gè)光學(xué)設(shè)備放在光的傳播路徑上，請(qǐng)同學(xué)們觀察光通過光學(xué)器件后傳播路徑如何改變？(效果如圖3，其中的標(biāo)志線事先在光學(xué)黑盒外側(cè)畫好，使入射光線與標(biāo)志線在一條直線上)．

生：偏折了．

師：向哪兒偏折？

生：向右(向上)．

師：這光學(xué)器件是什么？它對(duì)光線又會(huì)發(fā)生怎樣的作用，這些都是本節(jié)課要研究的問題．

點(diǎn)評(píng)：

通過光學(xué)黑箱呈現(xiàn)學(xué)生沒有見到過的光學(xué)現(xiàn)象，起到了設(shè)疑的作用，從而激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.

2.2 新課教學(xué)

師：經(jīng)過調(diào)整，使光線射到了容器側(cè)壁上，請(qǐng)問同學(xué)們有沒有辦法讓射到側(cè)壁的光線偏折到容器底部？

生：加水．

師：加水時(shí)請(qǐng)同學(xué)們注意觀察.

(1)水槽側(cè)壁光斑的位置是否發(fā)生變化；

(2)光線由空氣斜射入水中時(shí)，方向是否發(fā)生偏折．

圖4

教師演示(效果如圖4所示)，指出這就是光的折射現(xiàn)象并介紹“三線兩角”．

點(diǎn)評(píng)：本演示實(shí)驗(yàn)所采用的強(qiáng)激光增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視度，效果非常明顯.

師：開始老師展示的光學(xué)器件使光發(fā)生了什么？

生：折射．

教師打開光學(xué)器件外殼，展示玻璃磚并介紹其為長方體，相對(duì)面彼此平行．

點(diǎn)評(píng)：打開黑箱揭開迷底，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生刨根問底的愿望.

師：同學(xué)們想不想研究光通過玻璃磚時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

生：想．

師：桌上有玻璃磚、激光筆和一張白紙．要研究光通過玻璃磚的現(xiàn)象應(yīng)該先做什么？

生：畫光路圖．

師：對(duì)，我們首先應(yīng)畫出玻璃磚的位置．當(dāng)激光斜射向玻璃磚時(shí)，如何畫出光線？

生：在紙上點(diǎn)兩點(diǎn)，因?yàn)閮牲c(diǎn)確定一條直線．

師：正確．在實(shí)驗(yàn)中請(qǐng)注意：激光請(qǐng)勿入眼！

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)(4 min)．

展示學(xué)生畫出的光路圖(圖5)．

圖5

點(diǎn)評(píng)：進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師并沒有明確為什么要做這樣的實(shí)驗(yàn)，從而為下面光的折射規(guī)律的動(dòng)態(tài)生成奠定了基礎(chǔ)，可謂水到渠成！

師：那光在玻璃磚中是如何傳播的呢？

師：如何畫出玻璃磚中的光線呢？

生：直接連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn)，因?yàn)楣庠诰鶆蚪橘|(zhì)中沿直線傳播．

師：請(qǐng)同學(xué)們完成光路圖．

展示學(xué)生所畫的光路圖[如圖6(a)]．

點(diǎn)評(píng)：學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)時(shí)，并沒有看到玻璃的光線，教師通過理論探究得到了原本看不到的那一條玻璃磚中的光線.

圖6

師：我們利用所學(xué)知識(shí)推導(dǎo)出了光的傳播路徑，實(shí)際是否真的這樣呢？請(qǐng)同學(xué)們觀察．

演示實(shí)驗(yàn)：光線通過水磚時(shí)的偏折現(xiàn)象[如圖6(b)].

師：畫出的光路圖與看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否一致？

生：一致．

師：光的折射有三線兩角，請(qǐng)大家補(bǔ)充完整．

展示學(xué)生所畫的光路圖并評(píng)價(jià)．

師：通過光路圖，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)光發(fā)生了幾次折射？

生：兩次．

師：在圖中同學(xué)們看見了幾條光線？

生：3條．

師：兩次折射不是有4條光線么，為什么只有3條？

生：第一次的折射光線就是第二次的入射光線，重合了．

師：很好．

點(diǎn)評(píng)：光靠理論探究還不夠，教師用光通過“水磚”(類比玻璃磚)的實(shí)驗(yàn)清晰的看到了光在水中的光路，從而證實(shí)了上述理論探究的結(jié)果！

教師通過課件展示圖7

圖7

師：這是什么現(xiàn)象？

生：光的反射．

師：請(qǐng)同學(xué)們齊聲背誦“光的反射定律”．

生：……(省略)．

點(diǎn)評(píng)：光從空氣進(jìn)入介質(zhì)和從介質(zhì)進(jìn)入空氣兩種光學(xué)傳播途徑在玻璃磚實(shí)驗(yàn)中得到了淋漓盡致的體現(xiàn).所以，引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確地畫出光通過玻璃磚的光路圖是一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)重點(diǎn).

師：請(qǐng)同學(xué)們對(duì)照 “光的反射定律” 并根據(jù)光通過玻璃(水)磚時(shí)的光路圖[圖6(b)]小結(jié)光的折射特點(diǎn)．

生：光折射時(shí)，折射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi)；

師(評(píng)價(jià))：同學(xué)們剛才是在水平桌面上完成實(shí)驗(yàn)的，所畫出的折射光線、入射光線法線本應(yīng)共面．

生：折射光線、入射光線分別位于法線兩側(cè)；

師：在光路圖中可以看出這個(gè)特點(diǎn)．

生：折射角小于入射角．

師：光線通過玻璃磚時(shí)發(fā)生了幾次折射？

生：兩次．

師：你覺得這兩次折射時(shí)，折射角和入射角大小關(guān)系一樣么？

生：不同，第一次入射角大，第二次折射角大．

點(diǎn)評(píng)：類比于光的反射定律，引導(dǎo)學(xué)生得到折射規(guī)律，有利于學(xué)生在歸納折射規(guī)律時(shí)不至于太發(fā)散.

師：所以，光通過玻璃磚時(shí)的折射特點(diǎn)分為兩種．光從空氣斜射到玻璃(水)中，折射角小與入射角；光從玻璃(水)中斜射到空氣中，折射角大于入射角．

點(diǎn)評(píng)：光通過玻璃磚發(fā)生了兩次折射，弄清兩次折射的入射角和折射角是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，教師的正確引導(dǎo)非常重要！

師：在光路圖中(圖6)，還可以發(fā)現(xiàn)什么特點(diǎn)？

生：……(答不出)．

師：請(qǐng)同學(xué)們延長最初的入射光線，發(fā)現(xiàn)了什么？

生：哦，最后的折射光線與最初的入射光線平行．

投影展示光的折射特點(diǎn)，學(xué)生整理．

師：剛才咱們研究的都是光線怎么入射？

生：斜射．

師：還有什么入射？

生：垂直入射．

課件展示入射光線與分界面垂直．

師：現(xiàn)在的入射角是多少度？

生：零度．

演示光線從空氣垂直入射到水中．

師：折射光線有沒有改變方向？

生：沒有．

師：折射角是多少度？

生：零度．

師：我想讓入射角增大，哪位同學(xué)上臺(tái)試試？

學(xué)生演示：入射角增大(即激光筆越來越傾斜)．

師：做得很好，老師再演示一遍，請(qǐng)同學(xué)們注意觀察，入射角增大時(shí)，折射角如何變化．

生：……(答不出)．

師：主要是受到入射光線的影響，不易看出折射角的變化，最好讓入射光線消失，如何才能讓入射光線消失？

生：(齊聲回答)吹氣．

師：對(duì)，關(guān)閉霧化器，將容器中的水霧吹去．

演示實(shí)驗(yàn)：吹去水霧后，增大入射角，觀察折射角的變化情況(由于只剩折射光線，所以很容易看出折射角的大小變化)．

生：入射角增大時(shí)，折射角增大．

投影光的折射特點(diǎn)并進(jìn)行小結(jié)．

點(diǎn)評(píng)：教材之所以選擇玻璃磚作為學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)的器材，是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)的可控性、可操作性和體現(xiàn)折射規(guī)律的全面性。吃透教材的用意是用好教材的關(guān)鍵！

師：老師帶來了一枚硬幣和一個(gè)小碗，請(qǐng)同學(xué)們檢查有沒有問題(學(xué)生檢查不出問題)．硬幣放入碗中后將碗倒置，硬幣為什么掉不下來？

生：……有水．

師：剛才同學(xué)們已經(jīng)檢查過了，沒有水．

生：吸鐵石！

師：對(duì)！老師在碗的背面偷偷放了一枚吸鐵石，也就是說硬幣的位置不會(huì)輕易改變．

演示：將碗放在實(shí)物投影儀上，調(diào)整至正好看不見硬幣．

師：為何看不見硬幣？

生：光沿直線傳播．

演示：加水后硬幣再現(xiàn)．

師：請(qǐng)同學(xué)們畫出人眼看見硬幣的光路圖．

展示學(xué)生所畫光路圖(圖8)．

圖8

師：第一幅圖[圖8(a)]是否正確？

生：錯(cuò)誤，光從水中斜射入空氣中，折射角應(yīng)大于入射角．

師：第二幅圖[圖8(b)]是否正確？

生：錯(cuò)誤，人眼看見硬幣應(yīng)該是光射入人眼．

師：所以正確的是第三幅圖[圖8(c)]．

師：請(qǐng)同學(xué)們想一想，你們看見的硬幣在哪兒？

生：在原來的位置．

課件演示：兩條折射光線大致確定硬幣的位置(如圖9)．

師：看見的硬幣位置和其實(shí)際位置相比有無變化？

生：變高了(變淺了)．

師：真正的那枚硬幣位置有沒有變化？

生：位置沒有改變，但是感覺硬幣“浮起”了．

圖9 圖10

點(diǎn)評(píng)：通過小魔術(shù)和生活中的折射現(xiàn)象的解釋，一方面再次讓課堂達(dá)到高潮，另一方面也讓學(xué)生體驗(yàn)到了光的折射規(guī)律在生活中的應(yīng)用無處不在.

課件展示(如圖10)

師：哪條魚是真正的魚，哪條魚是看見的魚？

生：上方的魚是看見的魚，下方的魚是真正的魚．

師：如果你是漁夫，應(yīng)該將魚叉投擲在什么地方？

生：投擲向看見魚的下方．

課件展示(唐詩；儲(chǔ)光羲 釣魚灣)，學(xué)生齊聲朗讀．

師：這首詩是詩人情感的真實(shí)流露，其中有一句和光的折射有關(guān)，是哪一句？

生：“潭清疑水淺”．

師：同學(xué)們明白其中的道理了嗎？

生：我們看見的池底向上“浮起了”，所以說“潭清疑水淺”．

課件展示(圖11)

圖11

師：這是課本上的一幅圖，漫畫人物有沒有讀過“釣魚灣”這首詩？

生：沒有．

師：如果讀過，他就不敢貿(mào)然下水．請(qǐng)同學(xué)們注意：即使會(huì)游泳的同學(xué)在陌生水域也不能下水．

課件展示(圖12)

師：這泳池看上去深不深？

生：不深．

師：實(shí)際深度為3 m．

圖12

生：(驚訝)

師：用一句詩描述就是“潭清疑水淺”．