滲透物理學(xué)史的“光的色散”教學(xué)設(shè)計*

蔣麗艷

(蘇州高新區(qū)第一初級中學(xué)校 江蘇 蘇州 215009)

1 引言

物理學(xué)史是歲月長河中人類認(rèn)識自然界各種物理現(xiàn)象，研究物理學(xué)各種規(guī)律的發(fā)生和發(fā)展的歷史過程.在物理規(guī)律被揭開之前，科學(xué)家們在歷史的漩渦中歷經(jīng)掙扎.新的實驗現(xiàn)象挑戰(zhàn)舊理論，不同對立的理論在彼此的爭斗中取得新的進展，如“微粒說”與“波動說”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.在物理教學(xué)的過程中，教師若能將學(xué)生帶入物理學(xué)史的某個事件中，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.牛頓對光學(xué)的研究以色散最為突出.牛頓從笛卡爾的棱鏡實驗得到啟發(fā)，又借鑒胡克和玻意耳的分光實驗[1]，成功地總結(jié)出了色散的規(guī)律.

2 教學(xué)過程

色散是一個古老的課題，從中國古代開始就有關(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——古人對虹的認(rèn)識

活動1：觀看灑水車噴水時出現(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)，還是與太陽光有關(guān)呢？

學(xué)生思考：若無水滴，形成不了彩虹；若無陽光，也不會出現(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)為虹是太陽光照射雨滴所產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象[2].南宋朱熹對彩虹的成因有了進一步的認(rèn)識，在《朱子語類》(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、云母片在太陽下能呈現(xiàn)不同顏色的現(xiàn)象.李時珍指出，較大的六棱形水晶和較小的水晶珠都能將太陽光分光.

設(shè)計意圖：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，再通過古人對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 實驗探究——光的色散

師：中國古人對虹現(xiàn)象的解釋是比較零散的，大多帶有經(jīng)驗性.早在13世紀(jì)，國外的科學(xué)家也對虹的成因進行了探討.德國的傳教士西奧多里克，利用裝滿水的大玻璃球殼，在太陽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2：胡克利用燒瓶做了分光實驗，將一只充滿水的燒瓶，放在距離屏幕約60 cm的位置，讓我們來回顧一下胡克的分光實驗.

活動3：笛卡爾用三棱鏡將太陽光投射到屏幕上，將三棱鏡放在距離屏幕幾厘米的地方，演示三棱鏡實驗.如圖2所示.

圖2 三棱鏡離屏較近時的場景

生：看到了光帶兩側(cè)分別呈現(xiàn)藍色和紅色.

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，進而培養(yǎng)學(xué)生思考問題的能力.通過物理史實，使學(xué)生知曉科學(xué)的道路并非一帆風(fēng)順.

師：為什么沒有出現(xiàn)像彩虹一樣多彩的顏色呢？

學(xué)生思考.

師：牛頓也在思考這個問題.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展成6～7 m，我們感受一下投射距離拉大后的實驗場景.

活動4：學(xué)生操作三棱鏡分解太陽光(室內(nèi)可用平行光源)的實驗.

生匯報：太陽光經(jīng)過三棱鏡后，被分解成紅、橙、黃、綠、藍、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：(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：將另一個三棱鏡倒置放置，可能重新合成白光.

活動5：用2個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：白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種色光組成的.

設(shè)計意圖：通過學(xué)生對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)生通過再次合成白光的討論，培養(yǎng)逆向思維能力，感受物理的對稱美.

2.4 揭示本質(zhì)——色散的奧秘

活動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，下面的線為藍色，上面的線為紅色，藍色的線比紅色的線偏折得厲害.

師：藍光比紅光的折射能力強，為了說明白光確實是由折射性能不同的光組成的，牛頓還做了一個很有說服力的實驗，被稱為“判決性實驗”(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平行進入F后經(jīng)棱鏡折射穿過小孔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，板上也開有小孔g，在g后面也放有一塊三棱鏡abc，使穿過的光再折射后抵達墻壁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g到達三棱鏡abc[1].哪種光被折射得最厲害呢？這說明了什么？

圖5 牛頓的判決性實驗

生：紫光.由此說明，白光確實由折射性能不同的光組成.

設(shè)計意圖：通過三棱鏡觀察發(fā)現(xiàn)，由紫線(紅色和藍色混合成的紫色)分出來的藍線偏折厲害，再由光的色散實驗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：牛頓的實驗證據(jù)充分，但人們一時無法接受.特別是胡克，他認(rèn)為牛頓的這個實驗不具有判決性，因為無法解釋薄膜的顏色.為此，幾年后牛頓又利用一只長而扁的三棱鏡做了一個實驗(如圖6).扁長的三棱鏡產(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.這個實驗沒有變換棱鏡，只是變化了屏的角度，進一步說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 牛頓的扁長三棱鏡實驗

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)知識的形成過程.本節(jié)課以“中國古人對彩虹成因的探索→胡克、笛卡爾的失敗實驗→牛頓的白光分解實驗→合成白光實驗→藍光和紅光偏折能力不同的實驗→牛頓的判決性實驗→牛頓的扁長三棱鏡實驗”為線索，不再是簡單地呈現(xiàn)成功的三棱鏡色散實驗，而是將科學(xué)探索的艱辛過程鋪展在學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生親歷前人的探究過程.教師在使用教材的基礎(chǔ)上，對教材的內(nèi)容進行適度的拓展和延伸，相對于傳統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)有如下特點：

(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)動力推動其探求彩虹的成因.教學(xué)過程中滲透中國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)基于真實情境設(shè)計的兩個失敗的色散實驗，讓學(xué)生體會到科學(xué)探究的過程并非一蹴而就，而是有艱辛有曲折，培養(yǎng)了學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度與價值觀.

(3)物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.學(xué)生親自體驗白光的分解和合成的實驗過程，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，強化了學(xué)生的實驗探索及分析問題的能力，更讓學(xué)生感受到物理的對稱之美.

(4)在揭示色散奧秘的實驗中，借用了牛頓的幾個經(jīng)典實驗，幾個實驗環(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)生體會到科學(xué)探索的過程是一個不斷深化的過程，其間不斷折射出科學(xué)家的人格魅力.

4 教學(xué)體會

本節(jié)課在傳統(tǒng)的三棱鏡色散實驗基礎(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)驗相契合.而后通過古人對彩虹成因的認(rèn)識，讓學(xué)生感受并了解歷史.由胡克和笛卡爾兩個不算成功的實驗，讓學(xué)生感受到科學(xué)家在實驗探索過程中也經(jīng)歷著不少曲折.在牛頓研究色散時所做的幾個經(jīng)典實驗基礎(chǔ)上，略作調(diào)整，讓學(xué)生親歷實驗過程，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.