也談光的直線傳播實驗的創新改進

黃世旺

[摘? ?要]“光的直線傳播”與日常生活密切相關，有關實驗很容易從日常生活中找到相關用品進行實驗操作，這也給實驗的改進提供了廣闊的空間。針對平時教學中，“光的直線傳播”實驗操作中存在的器材準備過于繁雜、操作方法不夠簡便、現象欠明顯、所花時間太長等諸多問題，提出了創新改進之策，使光在三種不同透明狀物質中沿直線傳播的實驗中集中于一個“礦泉水瓶”，從而提升實驗的簡便性和有效性;通過創新改進使光在不均勻介質中彎曲傳播的實驗更簡便順暢，現象更明顯。

[關鍵詞]初中物理;光的直線傳播;創新改進

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）14-0038-03

在初中物理教學中，“光的直線傳播”是光學的基礎內容，是后續學習其他光現象、有關規律及其應用的根基。這部分內容的教學目標就是讓學生理解：光在均勻的氣態、液態、固態物質（介質）中沿直線傳播;否則光不能沿直線傳播（在密度漸變的介質中光線均勻彎折，密度漸變的介質僅以液體為例）。由于光的直線傳播與學生的生活及自然現象聯系緊密，再考慮到教學時間的限制，教材中安排的實驗、探究活動不多。實際教學中，教師需要依據教材中的圖片與文字描述增加必要的演示實驗或課后學生實驗，以激發學生的學習興趣，提升學生的學習效率，否則教學效果不會太好。文章在此結合教學實踐就“光的直線傳播”實驗的改進做些分析探討。

一、“光的直線傳播”教學中的相關實驗現狀綜述

（一）光的直線傳播實驗

1.光在氣體中的傳播

對于光在空氣中的直線傳播實驗，有的教師提出利用水的沸騰制造“水霧”進行實驗，有的教師提出利用冰塊使水蒸氣液化獲得“水霧”的方法進行實驗，有的教師提出利用霧化器產生“水霧”的辦法進行實驗，還有的主張通過自制煙霧箱演示實驗。這些改進都可以得到較為明顯的實驗效果，但需準備的實驗器材相對較多，操作起來也不夠方便，所花時間相對較長，通過演示的方式來實施，應該沒有多大問題，但要讓學生分組實驗就較為困難了。

2.光在液體中的傳播

對于光在液體中的直線傳播實驗，普遍做法是在水中加入“媒質”，即在水中加入幾滴牛奶或紅墨水等，攪拌均勻后用激光筆照射。這一實驗現象十分明顯。

3.光在固體中的傳播

對于光在固體中的直線傳播實驗，有的教師認為利用實驗室現有的玻璃磚，較多的教師則認為利用果凍。事實上用激光筆照射果凍能清楚地觀察到光的直線傳播，而多數學校實驗室中的玻璃磚是沒有添加媒質的，使用這樣的玻璃磚較難完成這一實驗。

總之，現實課堂教學中，教師基本上是將光在三種不同狀態介質中的傳播實驗逐個分散來做的。雖然可以取得較為明顯的實驗效果，但從器材準備、操作方法方面來看，不是最佳的，特別是讓學生分組實驗時效果不佳，值得改進。三個分散實驗，若分組進行都很難較好地實現。

（二）光在不均勻介質中彎曲傳播的實驗

為了說明光沿直線傳播的條件是在同一種均勻介質中，教師通常會利用食鹽、硫代硫酸鈉、白糖等物質配制一種濃度不均勻的溶液，來顯示光在不均勻介質中彎曲傳播的現象。實驗證明糖水的濃度分層效果最佳，容易得到濃度漸變的分層區域。

配制濃度漸變溶液的常見方法有兩種：一種是先在透明水槽中倒入適量的清水，然后用漏斗慢慢向水槽底部灌入濃糖水;另一種是先在透明水槽中倒入適量的濃糖水，然后沿水槽壁輕輕倒入清水，通常還使用漏斗、紗布、擋板等慢慢引流，減緩清水倒入時的流速。當兩種溶液混合后靜置適當的時間，讓濃糖水與清水在分界層自由擴散，形成濃度漸變的分層區域，再用激光筆照射開展實驗。事實上，上述兩種方法很難把控后加入的液體的流速，也就很難配制出上下濃度漸變的分層區域。

有的教師在以上兩種方法中，用醫用輸液軟管替代漏斗，采用虹吸法，并通過調節輸液管流速控制開關（圖1），讓后加入的液體保持一定的流速緩慢地注入。相比之下，這一改進較容易配制出上下濃度漸變的分層區域，但所需的時間太長，影響教學進度。

二、實驗創新改進

為了提升課堂教學效率，便于教師學生操作，筆者在廣泛研究當前“光的直線傳播”實驗現狀的基礎上，搜集并研究了相關實驗的改進措施，認為“光的直線傳播”實驗可從以下兩方面做進一步的改進。

（一）制作集固、液、氣態物質于一身的“礦泉水瓶”

1.在“礦泉水瓶”底部制作膠狀物體

（1）選用材料：空礦泉水瓶（容積330 mL左右為佳，瓶身盡可能為長方體形狀）、奶粉、香、水、超透明水晶滴膠（A、B膠）、一次性水杯、一次性筷子。

（2）制作方法：首先將100 g的超透明水晶滴膠（A膠）及配套的固化劑（B膠）倒入一次性水杯中，并用一次性筷子攪拌均勻，靜置一會待氣泡消除，然后加入黃豆粒大小的奶粉，再緩慢攪拌均勻后倒入空礦泉水瓶中，放置12∽48小時固化。

2. 在“礦泉水瓶”中部制作恰當的液體

往礦泉水瓶中倒入120 mL左右的清水，加入黃豆粒大小的奶粉，再晃動均勻。

3. 在“礦泉水瓶”頂部制作煙霧

在礦泉水瓶的瓶蓋中心開一個大小合適的小孔，插入一小段香，把礦泉水瓶的瓶蓋擰好。

（二）制作密度漸變的液體

為了向學生演示光在不均勻物質中是不能沿直線傳播的，筆者制作密度漸變的液體，以便演示光傳播過程中彎曲的路徑。

（1）選用材料

透明水槽、直徑為6∽8 mm的鐵線（長約1 m）、紗布、乳膠導管（長約60 cm）、錐形漏斗、止水夾、塑料吸管、縫衣針。

（2）制作方法（如圖2所示）

①用紗布制作一個稍小于水槽底部的網袋;用鐵線制作一個帶有手柄的矩形方框（大小以恰好能插入紗布網袋為宜），將矩形鐵方框插入紗布網袋。

②在乳膠導管的下端連接塑料吸管，上端連接稍大的漏斗，將止水夾套在乳膠導管上;用口徑稍大的縫衣針在塑料吸管上穿刺出密密麻麻的小孔后，將塑料吸管插入紗布網袋中。

③將內有塑料吸管的紗布網袋放入水槽底部。

（三） 實驗操作

1.光沿直線傳播實驗的操作

（1）將“礦泉水瓶”的瓶蓋擰開，用火柴將香點燃，然后再把瓶蓋置于礦泉水瓶上并擰好，稍待一會兒，讓煙霧充盈礦泉水瓶的上部空間。

（2）用激光筆先后分別照射礦泉水瓶中充盈著煙霧的空氣、水、固態水晶滴膠（如圖3）。可清晰地觀察到光在以上三種不同狀態的物質中傳播的路徑是直的，由此得出“光在氣體、液體、透明固體中都是沿直線傳播的”這一結論。

2.光在不均勻介質中彎曲傳播實驗的操作

（1）先通過漏斗往水槽中注入適量的水，緊接著通過漏斗將適量的濃赤砂糖水注入水槽底部。在以上過程中應注意對止水夾的控制，防止在注入水和濃赤砂糖水的時候混入空氣，以及水和濃赤砂糖水在漏斗錐形部分內混合。

（2）靜置一會兒，待濃赤砂糖水和水經自由擴散形成濃度漸變的分層區域。然后用激光筆從水槽側壁稍斜向上照射分層區域，可觀察到光在不均勻介質中彎曲傳播的現象（如圖4）。進而用筷子攪勻分層區域，又可觀察到光路由彎曲變成了直線。

（四） 實驗創新改進的優點

1.凸顯主體

與已有改進實驗相比，這樣改進后的實驗，更方便教師演示光在氣體、液體、固體中的直線傳播，也便于學生分組實驗，有利于營造學生在做中學、研中學的氛圍，讓學生真正成為課堂的主人，便于學生動手實驗，主動探究物理現象、獲取物理知識。

2.取材方便

礦泉水瓶、奶粉、香、鐵線、紗布、塑料吸管、縫衣針等都是日常生活中常見的物品，乳膠導管、漏斗、止水夾等是實驗室必備的器材，均容易獲取;制作水晶滴膠固體用的超透明水晶滴膠，可通過網購獲得，且物美價廉。

3.操作簡單

操作簡便是較為突出的一個優點。光分別在氣體、液體、固體中的直線傳播三個實驗，可通過一個“礦泉水瓶”來完成，提升了實驗的整合性，操作的簡單性，為課堂教學的順利完成節約了時間。在演示光在不均勻介質中彎曲傳播實驗時，在用漏斗往水槽底部加注濃赤砂糖水的過程中，紗布網袋以及塑料吸管上小孔的分流作用能有效地減緩對流的發生，很好地阻止了機械混合，因此不必擔心加注濃赤砂糖水的流速問題。

4.現象明顯

光在瓶內充滿煙霧的空氣中以及在滴了牛奶的水中，沿直線傳播的現象一目了然;在加了奶粉的固態水晶滴膠中，沿直線傳播的現象也十分明顯。在演示光在不均勻介質中彎曲傳播實驗時，可清晰地觀察到濃赤砂糖水跟水的分層區域;同時借助希沃投屏，能讓學生飽覽類似“海市蜃樓”的光路彎曲現象。

5.經久耐用

用來探究光在空氣、水、固態水晶滴膠中直線傳播的“礦泉水瓶”，以及光在不均勻介質中彎曲傳播的演示器可以循環使用，基本上達到一勞永逸的目的。

三、實驗內容的拓展

拓展1：探究光的反射。照圖5那樣在“礦泉水瓶”上安裝一個量角器，讓量角器的底線緊貼空氣與水的分界面。用激光筆從礦泉水瓶側壁斜向下照射，讓光從瓶中空氣斜射到量角器的O點處。可觀察到一部分光反射回空氣中，通過量角器的讀數以及進一步分析，得到“在光的反射中，反射光線、入射光線分居法線兩側，并且反射角等于入射角”的結論（圖6）。

拓展2：探究光路是可逆的。在拓展1實驗中，用不同顏色的激光筆逆著反射光路照射到量角器的O處，可看出反射出來的光線與原入射光線重合，說明光路是可逆的。

拓展3：探究光的折射。在圖5裝置的基礎上，在量角器的下方對稱安裝一個量角器（需將兩個量角器底線下面多余的部分裁掉），讓兩個量角器的底線緊貼并與空氣和水的分界面齊平。用激光筆從礦泉水瓶側壁斜向下照射，讓光從瓶中空氣斜射到量角器的O點處。可觀察到一部分光反射回空氣的同時，一部分光進入水中，并在界面處發生向下偏折的現象，通過觀察量角器的示數以及調整入射光線的角度，分析得到光的折射規律。

拓展4：探究光垂直入射時光路不變的現象。將礦泉水瓶瓶蓋上的香取出，用激光筆通過瓶蓋上的洞口照射，讓光從空氣垂直入射到水和固態水晶滴膠中。一方面觀察光從空氣垂直入射到水時，光路是否改變;另一方面觀察光從水垂直進入到固態水晶滴膠時，光路是否改變。從而說明光從一種透明物質垂直進入另一種透明物質時，傳播方向不改變。

四、實驗創新改進后的反思

1.在制作水晶滴膠固體時，應嚴格按產品說明書的配制方法進行配制，待A、B膠充分混合后才加入奶粉，并攪拌均勻。然后將其放置于水槽中凝固，以利于水晶滴膠凝固過程中產生熱量的傳導，避免因溫度過高導致奶粉熱熟而使滴膠固體出現“黃口”。

2.因實驗時需將香點燃，并插回礦泉水瓶內，在此過程中，必須注意實驗操作的安全性，既要注意不被香燙傷，也不要燒壞礦泉水瓶。

3.在“光在不均勻介質中彎曲傳播演示器”的制作中，可選用分液漏斗替代錐形漏斗和止水夾，但操作不夠細致時，容易混入空氣，或者水和濃赤砂糖水在分液漏斗中混合。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 劉鳳田，王志永.自制煙霧箱演示光學實驗[J].中國現代教育裝備，2014（12）：29-30.

[2]? 王浩.光在不均勻介質中彎曲傳播的實驗改進[J].物理教師，2016（12）：37.

（責任編輯 易志毅）