光和影

李佩寧

光在傳播過程中，遇到不透明的物體時便被擋住一部分，于是在地上形成一個一部分光不能到達的比較暗的區域，這便是影子。當光源與光屏的距離不變時，物體離光源越近，所形成影子的面積就越大一些，反之，所形成影子的面積就越小一些。

光與影在生活中無處不在。動畫片里會有各種影子；有踩影子、做手影游戲；甚至天空中的彎月，也是地球遮擋了太陽光線所致。對于學生而言，控制影子是一件很有意思的事情。

一、課程重點

本課程旨在讓學生觀察光和影的變化現象，同時學習物理知識，并使用數學工具對物理量和物理規律進行設想、測定、衡量和預測。

【涉及領域】光學、數學

【建議年級】小學低年級

【建議時間】110分鐘

二、課程任務

學生首先直觀感受光和影的變化，之后對長度、角度、高度等物理量進行精確測量和記錄，然后根據需要的結果猜測變量的情況。通過完成給定的任務，對角度、長度、高度、面積等綜合運用有基本認識，提升總結歸納能力。

三、課程步驟

1.導入：身邊的光和影現象（20分鐘）

第一步：說說與影子有關的事例?？梢砸龑W生描述自己對于影子的認識；可以給學生普及一些有關日晷和冬夏太陽高度的知識；可以讓學生說說踩影子游戲。比如，在一天中，被太陽照射到的物體投下的影子在不斷地改變著。一是影子的長短在改變。早晨的影子最長，隨后逐漸變短，一過中午又重新變長。二是影子的方向在改變。在北半球，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在東方。根據影子的長度或方向都可以計時，但根據影子的方向來計時更方便一些，故通常都是以影子的方位計時。 隨著時間推移，晷針上的影子慢慢地由西向東移動。移動著的晷針影子好像是現代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面，以此來顯示時刻。我們熟知的踩影子游戲也有根據時間的難易之分，在中午或者陰天情況下的踩影子游戲較難，而晴朗天氣下早晨和傍晚時候則最簡單。

第二步：頭腦風暴。讓學生進行頭腦風暴，分組使用工作單匯總教室、家里、校園中有哪些光影的現象和變化（見圖1）。教師可以讓各小組依次向全班匯報本組頭腦風暴的結果，完成課程的導入。比較容易發現的有婆娑的樹影，窗臺延伸部分形成的影子等。教室中一般都有多個燈作為黑暗時候的光源，移開桌子，讓學生選出代表站在中央，拉上窗簾，對這位同學站位不同情況下開燈后形成的影子進行觀察或者描述，小組可以進行簡單的討論。

第三步：進階提問。教師可以根據學生的表現，向學生提出幾個進階的問題，讓學生思考并回答。問題示例如下。

（1）誰能總結一下大家所找到現象的原因？

（2）光和影現象中，有哪些導致影子變化的變量？

（3）對這些變量如何進行人為控制？

需要特別說明的是，變量是指那些可以人為控制和改變的因素。由于年齡所限，這里不要求學生能夠準確說出變量名稱，如光照角度、光源大小、被射物體、本影等，但是要求學生能提出有關這些概念的部分特點的描述，如學生指出光從哪兒射過來很重要，這是個可以控制和改變的量。

2.實驗與記錄（20分鐘）

教師給出工作單（見表1），以角度、光源距離、光屏距離為變量，每個變量變化3次，讓學生測定和記錄不同變量變化下的影子長度數據。材料：米尺、手電筒、10厘米長的木棍、白紙（作為光屏）、兩種直角三角板。

3.宣布任務及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】基本任務：用一個光源同時制作兩個同學的影子，一個長2米，另一個長50厘米。材料：米尺、調光手電筒（即可以調整光擴散角的手電筒）。

挑戰任務：在墻上制作一個面積約為100平方厘米的樹葉的影子（如果有足夠空間的話，可以制作25平方分米的手掌的影子）。材料：手電筒、光滑的墻面、樹葉、暗室。

要求每組學生都嘗試任務，在空白紙上畫出原理圖，并用講解的形式向全班進行基本任務和挑戰任務的展示。宣布任務后，呈現評價量規（見表2）。

4.任務的執行與提示（25分鐘）

正式執行影子制作任務。教師可以提示學生以下內容。

（1）關于面積，如果沒學過面積的概念，可以嘗試讓學生進行簡化的理解，如：一根尺子的長短可以衡量，那么一張桌子的大小也是可以衡量的，衡量的方法就是通過比較面積的大小。

（2）標準圖形的面積容易計算，但不規則圖形的面積如何計算呢？可以用數格子的方法，這樣即便低年級的學生不了解面積的概念，也能很好地比較與計算面積的大小。

（3）教師需要事先制作網格，可以利用教室的墻面，以1厘米為邊長（選擇測量樹葉的影子時，以1厘米為單位邊長；若選擇測量手掌的影子時，以5厘米或1分米為單位邊長），制作正方形網格，讓學生將手掌的影子投射到墻面上，然后數格子。

（4）有的格子會被陰影填滿，有的填充了大部分，有的只填充了少部分。這時需要教師確定計算方式，可以進行簡便的計算，讓學生只數被陰影填滿的格子和填充了大部分的格子，而填充了少部分的格子則忽略不計。

（5）可以讓學生先預測光源、手掌、墻面之間的距離，然后再實際操作驗證。

（6）在學生用手掌投影后，為了節省時間，可以拍照，讓學生慢慢數。

5.反思與總結（15分鐘）

教師可以要求學生舉手回答以下問題，完成本環節。

（1）你們組在解決問題過程中誰的貢獻最大，為什么？

（2）你們組成功完成了任務，能詳細介紹一下設計原理么？

（3）你們組有沒有從其他組借鑒一些做法？借鑒了什么？為什么？

（4）你們組沒有完成挑戰的原因是什么？如果讓你們再做一次，會有哪些改變？

（5）在地球上的你能否向月亮上投射一個巨大的影子，你需要什么材料？

對于問題（5），教師應當做一些前期的物理知識儲備。首先，強烈的陽光會稀釋月球上的影子，因此選擇時機最好是在即將進入新月的時候，此時月球的正面是完全黑暗的。其次，要想向月球投射影子，需要一個很大的被照射的物體，這個物體不能透光，最好是在大氣層以外，以減少大氣層對于光的散射。最后，還需要一個功率極強的照射燈作為光源，光源必須足夠大、足夠亮。另外，教師應提醒學生，若以太陽作為光源的話，月全食就是地球在月球上投影的結果。

（責任編輯 張慧籽）