光現象系列演示實驗的改進和創新＊

謝桂英

（廣州市第五中學，廣東 廣州 510250）

光現象探究活動是初中物理一個很重要的探究活動，但這部分內容較抽象，既是重點也是難點.對探究光在同種均勻介質中的傳播特點、探究并了解光的反射和折射的規律、探究平面鏡成像規律、探究凸透鏡成像規律，課標明確要求是科學探究Ⅱ，對白光是由色光組成的、色光的混合課標明確要求是科學探究Ⅰ.

1 改進、創新的思路

目前配套的《光現象探究活動器材》，卻存在著不足：探究材料不足，缺乏有效說明、指引，培養學生創新思維存在局限性.多年的教學經驗證明光靠教師講、課件和教具演示，效果不理想.針對不足，作者嘗試對現有配套的《光現象探究活動器材》對初中物理光現象系列演示實驗改進、創新，自制光現象系列演示實驗儀，并將改進、創新后的活動器材再次用于課堂教學，取得良好的教學效果.

2 改進、創新的依據

（1）《物理課程標準》基本理念：鼓勵積極探究，使學生了解物理知識的功能價值，形成主動學習的態度.

（2）《物理課程標準（2011年版）》解讀對義務教育物理課程實驗提出明確要求，在“內容要求”中，凡是用“通過實驗”這一措辭陳述的知識內容，都必須通過實驗來學習，這些實驗是必須做的.同時也提倡用自制教具和低成本實驗進行探究活動.

3 改進、創新研究實例

系列1：光的直線傳播直觀演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級上冊第4章第1節，關于光在同種均勻介質中沿直線傳播，沒有直觀的演示，通常處理是用口講或課件演示，學生較難理解.本演示儀能夠直觀演示光的直線傳播，大大提高講課的效率，學生也可以使用它來做探究活動.

制作材料：廢酒盒1個（木質的），夾子1個，黑紙板1張，螺釘和螺帽各1個（成套配用）.

制作過程：將廢酒盒里面一端釘1塊小木板，將螺釘裝上，另一端挖1個小孔（大小剛好能塞1支激光筆），用黑紙板將廢酒盒口封上，合上蓋子，就做成了黑盒.

實驗器材：自制光的直線傳播直觀演示儀，蚊香，激光筆，火柴.

實驗過程：

（1）如圖1，用夾子夾好蚊香，點燃.將蚊香固定在盒里面，并蓋上蓋子.

圖1

圖2

（2）如圖2，用激光小手電筒從旁邊射入，能看見光在空氣中沿直線傳播，演示成功.

實驗創新之處：

（1）自制黑盒，成本低.

（2）蚊香燃燒時間長，煙較多而且穩定，演示效果明顯.

（3）體積小，方便全班傳閱.

系列2：光的反射直觀演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級上冊第4章第2節光的反射，通常是利用平面鏡、白紙、激光筆、光屏、鐵架臺、量角器等器材，通過實驗研究光的反射定律，沒有專門的實驗儀，實驗過程比較繁瑣，實驗現象不明顯，實驗效率較低.作者自制光的反射直觀演示儀，操作簡便，現象直觀準確，大大提高了上課的效率，學生也可以用它來做探究活動.

制作材料：平面鏡1塊約長5cm、寬5cm，鐵板2塊約長20cm、寬15cm，A4白紙2張，木板1塊約長30cm、寬10cm，木條2條1條約長30cm、寬2.5cm，另一條約長15cm、寬2.5cm，磁鐵1塊.

制作過程：

（1）將2塊鐵板一面用透明膠粘好，另一面用502膠水將A4白紙貼好，注意要平整，再將1張復印好量角器的白紙貼好.

（2）將小磁鐵鑲入長木條中，并用502膠水將兩條小木條固定在木板上，中間留約1cm縫隙.

圖3

（3）將鐵板插入木條之間，整個裝置如圖3所示.

實驗器材：自制光的反射直觀演示儀，2支激光小手電筒.

實驗過程：用激光小手電筒探究光的反射定律，如圖4、5所示.

（1）研究光的反射規律（2線分居和2角相等）.

（2）還能看到反射光線嗎？（3線同面）.

（3）光路可逆.

圖4

圖5

實驗創新之處：成本低，操作方便，效果明顯，尤其演示光路可逆.

系列3：光的折射直觀演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級光的折射，一般學校沒有學生實驗配套儀器，學生難于做實驗.筆者利用實驗原有的器材，加上精心制好的“量角器”，組合成光的折射直觀演示儀，操作簡便，現象直觀準確，大大提高了上課的效率，學生也可以用它來做探究活動.

制作材料：水槽1個，激光小手電筒1支，塑料角架1個，鐵板1塊約長25cm、寬20cm，油性筆1支，量角器，圓規.

制作過程：

（1）先將鐵板用油漆油成白色，利用量角器、圓規和油性筆精心畫上1個圓并標上刻度，做成“量角器”.

（2）將實驗原有的水槽、角架、激光小手電筒1支、擴束器和自制量角器”組合成光的折射直觀演示儀.

實驗過程：用激光小手電筒探究光的折射規律，如圖6、7所示.

（1）水槽裝水，將自制“量角器”放入水中.

（2）探究光從空氣斜射入水的折射情況.

（3）探究光從水斜射入空氣的折射情況.

圖6

圖7

實驗創新之處：成本低，操作方便，效果明顯.

系列4：海市蜃樓的實驗演示儀.

人教版初中物理8年級光的折射，提到海市蜃樓現象.海市蜃樓，是大氣光學現象，光線經過不同密度的空氣層后發生顯著折射，使遠處景物顯示在半空中或地面上的奇異幻景，常發生在海上或沙漠地區.古時傳說這種幻景是海里的蜃吐氣而成的，故而得名.

原來情況：海市蜃樓現象，沒有專門的實驗儀器演示，通常處理是先讓學生看視頻，再分析海市蜃樓的成因，學生學習興趣不大，學習效果欠佳.

能否設計一個實驗直觀演示，光在不均勻光線沿曲線傳播，用實驗讓學生親身感受一下什么海市蜃樓，對理解海市蜃樓成因，提高學生學習物理的興趣會有很大幫助.

改進思路：設想讓光在不均勻的鹽水中沿曲線傳播，代替光在不均勻空氣中沿曲線傳播.

最初筆者在暗室桌面放一個長方體魚缸，裝入大半缸水，在向魚缸里均勻撒鹽，不攪拌靜置2h，使鹽水成為不均勻介質，用激光筆沿內側缸壁斜向下射出激光，將會看到水面下方的光路是彎曲的，但演示效果不明顯.后來反復實驗，將容器底面做成弧面，效果最好.

制作材料：透明塑料板若干，502膠水，玻璃膠.

圖8

制作過程：如圖8，用透明塑料板拼裝成一個圓弧形水槽，用玻璃膠拼接，保證容器不漏水.

實驗演示過程：

（1）在水槽中裝滿水.

（2）在水槽中均勻灑上一層鹽（或白沙糖），不可攪拌，放置0.5h以上.

（3）半小時后，用激光筆從水槽一側射入激光，在較暗的環境下，可以看得激光在水中沿曲線運動.演示后的效果如圖9，真實實驗效果圖如圖10.

圖9

圖10

實驗注意事項：

（1）海市蜃樓是地球表面大氣的一種光折射現象，底面應做成弧面.

（2）根據光線在不均勻空氣中傳播，保留用鹽水代替空氣，光線應只在鹽水中傳播.

（3）光線呈現的距離應盡量遠，其彎曲程度才可以用眼睛明顯看到.

（4）用功率大的綠色激光筆比紅色激光效果好.

（5）演示時室內關閉其他光源，周圍環境越暗越好.

創新之處：

（1）能直觀演示光在不均勻介質傳播，光的傳播方向會發生改變.

（2）實驗現象很明顯，讓學生親身感受一下什么海市蜃樓，能大大提高學生學習興趣.

（3）操作方便.

（4）實驗成本低.

系列5：簡易多功能光學實驗演示儀.

原來情況：人教版初中物理8年級上冊光現象和透鏡及其應用，一般學校用激光演示儀，但激光演示雖然射出來的激光強度大，光只能從一個方向射入，很難演示光路可逆.加上激光演示儀比較貴重，也較笨重，不容量攜帶和操作.我們自制的激光演示儀，簡單輕便，操作簡單，尤其可演示光路.這樣可以直觀準確，大大提高上課的效率，學生可以用來探究光學大部分實驗.

制作材料：2塊木板（1塊長約長40cm、寬15cm，1塊約長37cm、寬31cm），A4白紙8張.螺絲釘16顆，小鐵板2塊.

制作過程：

（1）將木板油上白漆，晾干.

（2）用4張A4白紙用502膠水平整貼在長37cm、寬31cm的木板上，用4張A4紙復印圓，并將它平整貼在木板上.

（3）用電鉆鉆合適的小孔，將旋轉按鈕（廢舊激光演示儀拆下的）裝上，并用鐵板打上螺絲釘，將長37cm、寬31cm木板豎直固定在長約長40cm、寬15cm木板上.

實驗器材：1個自制“簡易多功能光學實驗演示儀”，激光小手電筒，平面鏡，凹面鏡，凸面鏡，玻璃磚，凸透鏡，凹透鏡等.

實驗過程：（1）探究光的折射規律（圖11、12）.

（2）探究凹面鏡對光線的會聚（圖13）.

圖11

圖12

圖13

（3）探究凸面鏡對光線的發散（圖14、15）.

圖14

圖15

（4）還可以演示光的反射，凸透鏡、凹透鏡對光線折射作用，玻璃磚對光線折射作用等.

創新之處：

（1）廢物利用，制作成本低.

（2）實驗器材簡單輕便.

（3）操作簡單，演示效果明顯，尤其演示光路，大大提高上課的效率.

（4）多功能，可以用來探究光學大部分實驗.

系列6：色光三原色的合成實驗演示儀器.

原來情況：物理課程標準（2011版）明確規定：通過實驗，了解白光的組成和不同色光混合的現象.以前配套的實驗是，用皮帶輪旋轉均勻分布的紅、綠、藍3張紙，通過3張紙反射出來的色光再混合成白色，演示效果較差.后來市面上也出現了直接用紅、綠、藍3種燈射出3種色光，主要原因是光線不夠強或色光顏色不夠純造成.

設計思路：找到能純紅、綠、藍（RGB），通過增大LED燈的亮度和調整3個凸透鏡的焦距和間距來增強射出去的光的亮度，使到演示效果大大增強.

制作材料：大功率（約3W）的LED燈（純紅、純綠、純藍各1個），PVC管，凸透鏡9個（直徑40mm，焦距為100mm的3個，直徑為30mm、焦距為50mm的6個）學生電源1臺（能提供5V～18V的直流電壓），木板1塊，電位器3個.

制作過程：

（1）網上夠大功率（約3W）的LED燈（純紅、純綠、純藍各1個）.

（2）用木板做成1個可以直立的支架.

（3）將凸透鏡9個（直徑40mm，焦距為100mm的3個，直徑為30mm、焦距為50mm的6個）和PVC管做成3組可調焦的凸透鏡組，并將大功率（約3W）的LED燈（純紅、純綠、純藍各1個）裝上，如圖16，17所示.

（4）裝上電位器調節光的強度，最后組合成如圖18.

圖16

圖18

實驗過程：

（1）演示紅光和綠光混合.

（2）演示藍光和綠光混合.

（3）演示紅光和藍光混合.

（4）演示紅光、綠光、藍光混合成白色.

創新之處：本作品通過增大LED燈的亮度和調整3個凸透鏡的焦距和間距來增強射出光的亮度，使演示效果大大增強.