自制立體光學演示器 改進“光的反射”實驗

摘 要：傳統的“光的反射”實驗器材存在空間立體性不夠、探究性不強的問題，已經不能充分滿足教學的要求，筆者利用身邊的器材進行改進和創新，自制教具“立體光學演示器”.透明的半球形旋轉煙室能夠呈現出清晰的光路，可用于探究光的反射規律，探究反射光路的可逆性、探究凹面鏡和凸面鏡對光的作用，比較鏡面反射和漫反射的空間關系.

關鍵詞：自制教具;光的反射;旋轉煙室;立體空間

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0016-03

基金項目：江蘇省教育科學“十三五”規劃青年專項重點自籌課題“基于單元設計理念的初中物理綜合實踐活動研究”（項目編號：C-b/2020/02/52）.

作者簡介：王莉（1991-），女，江蘇徐州人，碩士，中學二級教師，研究方向：初中物理教學研究.

義務教育物理課程作為科學教育的組成部分，是以提高全體學生科學素養為目標的自然科學基礎課程.此階段的物理課程不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，而且應注重對學生學習興趣、探究能力、創新意識以及科學態度、科學精神等方面的培養[1].物理實驗教學是初中物理教學的重點和學生學習物理知識的必要手段，而實驗儀器是實驗教學的重要載體.在具體的教育教學過程中，教師對現有教具的改進和創新，不僅可以激發學生學習物理的熱情，也可以提高教師自身的專業素養，教師的創新意識以及動手能力，也會潛移默化地影響著學生，讓學生慢慢的愛上動手、愛上創新、愛上生活.

1 解讀課標和教材

《義務教育物理課程標準（2011年版）》指出，光的反射一課屬于一級主題“運動和相互作用”，二級主題“聲和光”的部分，要求學生的認知性目標在“了解”層面.課標要求學生經歷光的反射規律的探究過程，會描述光的反射現象，初步理解光的反射規律，且該實驗是八年級物理光學部分的重要實驗之一.教材中設計的實驗器材是將平面鏡水平放置，一塊標有刻度的白色紙板豎直立在平面鏡上，紙板由A、B兩部分組成，可以繞接縫ON翻折[2]（如圖1所示）.

2 教具改進的背景

生活中的光現象無處不在，如何顯示光路，如何使實驗現象更易于觀察，是光學實驗探究成功的關鍵.雖然學校實驗室普遍配有相應的教學儀器，但實驗效果并不理想，傳統的實驗教具主要有兩種（如圖2、圖3所示）.圖2為學校自制器材——豎直放置的木板面上貼白紙，圖3為購買的光學演示器，這兩種實驗器材均是在白屏上標記出角度作為量角器.在實驗時，入射光線到平面鏡上的入射點與量角器的圓心重合，利用白屏顯示出光的傳播路徑.在實際教學中現有的實驗器材在探究光的反射規律時經常遇到如下問題.

問題1：圖2中的器材在實際操作中，激光筆的光線很難在白屏上顯示出來，實驗現象不易觀察.圖3中的器材價格較貴，個頭較小，且無法探究三線共面的問題.

問題2：光的反射發生在立體空間內，但是以上實驗裝置只能通過白屏承接光線觀察光路，沒有放置白屏的地方就無法觀察到是否有光線經過.

問題3：入射光線只能在白屏所在的平面內改變入射角，無法從任何方向來改變入射角.

問題4：學生在操作時只能觀察到反射光線和入射光線，雖然強化記憶了反射光線、入射光線在同一平面內，但是卻忽略了這個平面是由入射光線和法線所決定的.

基于上述原因，筆者自制了“立體光學演示器”，用于探究光的反射規律.

3 自制教具的改進與創新點

立體光學演示器的主體為一個直徑為60cm的透明的亞克力塑料半球，半球罩放置在木板上，木板下面裝有旋轉展臺，通過展臺開關的通斷，煙室可以任意角度轉動，在木板上面可放置一小段蚊香以及平面鏡等所需光學儀器（木板上面可放置一小段蚊香以及平面鏡等所需的光學儀器，木板下面裝有旋轉展臺，通過展臺開關的通斷，煙室可以任意角度轉動）.半球與木板能無縫蓋合，使其內部空氣不與外部交換，形成一個密閉煙室（如圖4所示）.

利用兩個強磁體，一個固定在激光筆上，一個放置在煙室外面，既可在煙室外面任意改變光源的位置，還可以在半球形煙室的頂點固定激光筆，隨時顯示出法線的位置（如圖5所示）.

在常規教學過程中，教師總是強調白色紙板需要垂直于平面鏡放置，否則就無法在白紙上觀察到反射光線.學生在實驗時也確實發現了這樣的現象，但是卻并不能理解，反而產生了“沒有出現在白紙上的反射光線去哪里了？是消失了嗎？”等疑問.傳統教具無法解決這樣一個問題，但是教師利用旋轉煙室可以將白色紙板傾斜放置在平面鏡上，之后將一束光緊貼紙板射向鏡面，學生會觀察到反射光線還是存在，并且存在入射光線、法線所確定的那個平面內（如圖6所示）.

利用黑色記號筆在煙室外面標記角度，半球形罩子的頂點即為0°，每隔10°標記一下，這就是一個大的量角器，可通過光線在煙室上形成的光斑位置直接讀出反射角和入射角的大小（如圖7所示）.

打開展臺，整個裝置會旋轉起來，教室里坐在各個方位的學生都可以在某一角度觀察到光線，多次調節入射光線的角度，重復上述操作.相比教材上的設計方案，“將紙板繞接縫ON向前或向后翻折，觀察在什么情況下紙板B上能呈現反射光束”，該演示器的實驗現象更為直觀，可以更好地讓學生從空間立體的角度，去理解反射光線、入射光線、法線在同一平面內.

在已有的紅色激光的光路基礎上，利用綠色激光筆沿著原來紅色激光的反射光線方向逆向射入，可以觀察到紅色、綠色兩個光路重合，可以研究反射光路的可逆性（如圖8所示）.

4 自制教具的進一步探索

該教具除了可以用于探究光的反射規律外，還可以用于以下兩個方面的探究.

4.1 探究鏡面反射和漫反射的空間關系

將三支激光筆平行放置在塑料板上，用熱熔膠槍固定，這樣就獲得了一束平行光.平行光線入射到平面鏡上，可觀察到反射光線的平行關系.將鏡子打碎，粘在一塊板上，注意黏貼的碎玻璃高低不平，這樣就獲得了一個“粗糙”的反射面.平行光線入射到碎鏡片上，可見觀察到反射光線向各個方向射出.利用傳統方法演示漫反射，很容易讓學生產生“反射只能發生在一個平面內”的錯誤想法，該裝置則能更好地讓學生體會光的反射是存在一個空間立體的環境中（如圖9、圖10所示）.

4.2 探究凹面鏡和凸面鏡對光的作用

將凹面鏡、凸面鏡放置在木板上，可觀察到凹面鏡對光線有會聚作用，凸面鏡對光線有發散作用（如圖11、圖12所示）.

5 結語

本文介紹的儀器部件，其材質和規格并不是固定不變的，可以根據實際的情況作出調整，比如可以直接購買光線更強光束更多的平行光源，也可以選用直徑更大的亞克力半球，使實驗現象更為震撼.在實驗時發現，若底板為有機玻璃或塑料材質制成，實驗中很容易出現折射光線，這樣就會干擾學生對實驗現象的觀察，所以該演示器的底板選擇的是不透明的木板，當然也可以選擇磨砂表面的材質作為底板.該教具在日常教學中效果卓越，可呈現出清晰的光路，學生可以全方位多角度地觀察光的傳播路徑，提升空間立體感，感受光的傳播特點，通過觀察實驗現象、提出猜想、實驗探究、獲取證據等環節，從而培養學生的科學探究能力，幫助學生構建了真實的光的反射模型，在潛移默化之中培養學生的物理觀念和科學思維.這樣可視度更高的實驗教具的自制與應用，可以充分調動學生各種感官，優化課堂教學氛圍.在后續教學中繼續利用旋轉煙室還可以開發其他功能，如探究光的折射規律，探究凸透鏡的成像規律.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]劉炳昇.義務教育教科書物理（九年級上冊）[M].南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2012.

[3]李海冰.光的反射定律實驗的改進[J].農村青少年科學探究，2019（12）：14-15.

[4]馬順存.光的反射、折射實驗儀器的改進[J].湖南中學物理，2019，34（12）：67-68.

[5]蔣煒波，王宏.關于光的反射的實驗改進[J].新課程教學（電子版），2019（08）：6-8.

（收稿日期：2020-09-19）