對“探究光的反射定律”實驗的質疑和教學建議

劉炳昇

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210046)

光的反射定律是初中光學的基本內容之一，課程標準的要求為：通過實驗，探究并了解光的反射定律。傳統的實驗用如圖1所示的裝置探究反射光線與入射光線和法線的關系、反射角與入射角的關系。在實驗中，讓入射光在A屏上顯示出傳播的路徑，再使B屏繞法線向后折轉，可見只有當B屏和A屏在同一平面時，反射光的路徑才能顯示出來，由此說明反射光線、入射光線和法線在同一平面內。

圖1

1 質疑

對于上述探究過程，從邏輯上分析可能存在的問題。在空氣中，入射光線和反射光線應當是通過入射點的兩條直線。根據幾何原理，相交的兩條直線必然在一個平面內，也就是入射光線和反射光線必然在一個平面內。按此推理，入射光線與反射光線不可能在兩個不同的平面內，因此將B屏向后折轉是沒有必要的。再者，既然選擇了A平面為入射光所在的平面，即選擇入射光線與法線所在的平面，這個平面應當是二維無限拓展的，所以必然會在這個平面內呈現出反射光的路徑，因此，折轉B屏也是沒有必要的。

探究光的反射定律就是要找尋入射光線與反射光線構成的平面究竟在哪里，如圖2所示，將一束光照射在平面鏡上，通過入射光可以作無數個平面(圖中只畫出了三個平面)。將一個平面繞其上的入射光線旋轉360°，其中有一個平面與平面鏡垂直，即平面鏡的法線在這個平面內，反射光也就呈現在這個平面上。

圖2

2 教學建議

在教學設計中既要考慮物理學科的邏輯性，又要考慮學生的認知特點，以下提出相關教學設計建議。

2.1 定性觀察與猜想

自然界中光的反射現象中很少會直接顯示出光的傳播路徑，用光線模型探究反射規律，反映了一種物理思想。為了讓學生感悟這種思想，可以在探究情景引入時，讓學生觀察光斑位置隨入射方向變化的現象，從而抽象出光線的模型，猜想其空間變化的特點，為定量探究做準備。可給學生一只電筒和一塊平面鏡，觀察光斑位置變化的特點。

2.2 實驗探究光的反射定律

用如圖3所示的裝置，其中光屏是可以繞水平直徑偏轉的半圓面，平面鏡固定在水平面上，用激光筆作為光源。

(1) 如圖3所示，將光屏倒向后方，將激光束照射到平面鏡中心處，調節底座的方位和光屏的角度，設法使光屏上呈現出入射光和反射光的徑跡。觀察與思考：在什么情況下，光屏上會同時顯示出入射光線和反射光線？即反射光線與入射光線所在的平面與平面鏡所在平面有什么關系？

圖3

(2) 如圖4所示，將光屏調至與水平面成垂直的狀態，多次改變入射角，實驗并記錄入射角和反射角的大小。

圖4

(3) 根據上述實驗現象和數據，總結出光的反射規律。

2.3 拓展光反射定律的空間概念

用如圖5所示的半球形透明塑料罩做演示實驗，在透明罩內充入煙霧，將一束激光照射到置于底面中心處的平面鏡上，可以同時觀察到入射光束和反射光束。改變入射光的入射角度，可以形成光的反射在三維空間中的形象。

圖5

先演示入射角從0°到接近90°連續變化的光的反射現象，再演示入射角從接近90°到0°連續變化的光的反射現象，從而使學生對光的反射定律形成整體和動態的認識。