利用趣味實驗創設物理教學情境
——以“全反射”為例

陳旭燕 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

中學物理教材中有很多實驗都與日常生活實際密切相關，教師可以把物理知識點通過趣味物理實驗的形式演示出來,創設生動活潑的課堂教學情境,喚醒學生的求知欲,引導學生觀察和分析物理現象,自主地獲得生動而具體的感性知識,并由此概括抽象出其中的理性認識.通過自主探究過程，學生能更好地理解和掌握物理概念和規律，把枯燥的課堂變為學生喜聞樂見、人人參與的教學活動.創設有效的課堂教學情境，使學生感到自己所學知識具有實用性,培養學生學習物理的興趣,達到理論的內化和情感的升華.以下以“全反射”這節課為例，介紹作者利用趣味實驗導入新課在物理教學中的應用實踐.

1 神奇的“變色章魚”魔術

全反射棱鏡是全反射的一個重要應用，是學習全反射的一個重點知識，同時在我們的日常生活中有廣泛的應用，例如利用全反射棱鏡制成望遠鏡等等.由于教材對全反射棱鏡這個知識點所涉及的實驗不多，故學生對全反射棱鏡及其應用掌握得不夠深刻，容易讓學生誤認為光只要射入全反射棱鏡就能發生全反射，而與介質無關這樣的誤區.為此，作者設計了一個“章魚變色魔術”實驗來幫助學生對全反射棱鏡有一個更深刻的認識，同時激發學生學習的興趣，變色的過程生動有趣，學生迫不及待地想要動腦、動手來揭開“變色章魚魔術”的秘密.

1.1 實驗裝置構造

利用透明有機玻璃制成一個無蓋的立方體容器，沿立方體的對角線放置兩塊互相平行的有機玻璃板，將容器分成了兩個完全一樣的等腰直角三角形容器，平面鏡一端靠著立方體的右上方的頂點，另一端的放置使得平面鏡與對角線的兩塊隔板互相平行，如圖1、圖2所示.

圖1 “變色章魚”裝置俯視實物圖

圖2 “變色章魚”裝置俯視示意圖

1.2 實驗原理及現象

當兩塊等腰直角三角形容器加水而隔層不加水時便形成了兩塊全反射棱鏡.在左側貼上紅章魚，觀看位置的對面貼上藍章魚的圖片，紅章魚圖片漫反射發出的光經左棱鏡發生全反射后出現在觀看位置的左側，藍章魚圖片漫反射發出的光經右棱鏡全反射又經平面鏡反射出現在觀看位置的右側，光路圖如圖3所示，實景圖如圖4所示.

圖3 隔層不加水的光路圖

圖4 隔層不加水的實物圖

圖5 隔層加水的光路圖

當往隔層中加水時，就無法形成全反射棱鏡，紅章魚圖片漫反射發出的光經水和有機玻璃折射，再經平面鏡反射后，出現在觀看位置的右側，藍章魚圖片漫反射發出的光經水和有機玻璃折射后直接出現在左側，光路圖如圖5所示，實物圖如圖6所示.

圖6 隔層加水的實物圖

實驗過程中，實驗現象引入了新課的學習，有助于教師把全反射的條件、現象、規律等講授清楚，學生的印象也非常深刻.通過注射器緩慢往立方體容器對角線隔層注水時，章魚顏色就成了一個漸變的過程，最后，觀看位置的左側就由紅章魚變成藍章魚，右側由藍章魚變成紅章魚.如圖7所示，過程非常吸引人心，生動有趣，具有魔術般的效果，極大地激發了學生的學習興趣.

圖7 通過注射器往隔層注水的漸變現象

2 “海市蜃樓”模擬實驗

“海市蜃樓”是自然界的奇觀，可遇而不可求，許多人只有在電視、書本等渠道中了解到，未親眼見到過.如果將“海市蜃樓”的模擬實驗帶到教室里來作為“全反射”新課的情境導入，讓學生們興致盎然地觀看“蜃景”，為了揭開“蜃景”的神秘面紗，借此和學生一起走進“全反射”的課堂教學中.

2.1 實驗裝置制備過程

往玻璃缸容器(長26 cm，寬26 cm，高30 cm)中加入約占容器體積1/3的水.

加入適量的食鹽，直至溶液達到飽和，不再繼續溶解食鹽為止，則制成了飽和食鹽水.

制作一個跟玻璃容器等長等寬的長方形塑料泡沫，上面用細尖的螺絲刀沿長和寬鉆上一排排大小相同，間距均勻的小孔，并將其放入玻璃缸中，漂浮在水的上表面.

取一張較大的不易破裂的白紙，用浸上水的刷子在紙的表面輕輕地來回刷動，使得紙的表面蘸上水，在刷動的過程中注意保持紙面的平整.

把蘸上薄薄一層水的白紙輕輕地覆蓋在泡沫上，白紙的四周貼在玻璃缸壁，用手輕拍，使其緊貼住缸壁.

利用漏斗往玻璃缸內緩慢地加入水，使水慢慢地滲入飽和溶液中，不斷地加水，當液面高度達到容器體積的2/3則可停止注水，在加水的過程中，速度要緩慢，讓水通過白紙和泡沫慢慢地進入，與飽和食鹽水輕輕地緩慢相溶，則形成了一個擴散層，整個加水的過程中注意不可使白紙破裂.

通過以上步驟就制成了一個擴散層，待溶液保持穩定后，則可取掉白紙和泡沫，在容器外側下方貼一張圖片(例如一朵花)，則在擴散層就可以看到“蜃景”了.

可在玻璃缸下放一個轉動的轉盤，這樣可以通過旋轉轉盤，使得全班同學包括在最左和最右的角落同學都能看到現象，用一根激光筆入射擴散層，則可看到光線發生了彎曲.如圖8、圖9前后對比圖所示.

圖8 形成擴散層前的現象

圖9 形成擴散層后的“蜃景”

2.2 實驗原理

飽和食鹽水的密度和折射率都比水大，當清水注入飽和食鹽水的上層，就會形成一個擴散層，這個擴散層的折射率成梯度變化，從下往上折射率越來越小.這樣就模擬了海面上的空氣因溫度梯度變化而使得空氣層的折射率發生梯度變化的情況.物體因漫反射發出的光經過擴散層時，會不斷地發生折射.當入射角越來越大，大于臨界角時，滿足了全反射發生的兩個條件，在最高點發生全反射.接著返回擴散層不斷地折射回去，最后進入眼睛，眼睛看到的認為光是沿直線傳播，逆著入眼光線，就看到了倒立的“蜃景”，光路圖如圖10所示.

圖10 揭秘海市蜃景光路圖

2.3 蜃景的倒立、正立成因

由前文中所看到的“蜃景”倒立、激光筆的光射入擴散層發生彎曲的現象和對光路圖的分析可知，因為在最高點發生了全反射，所以導致蜃景是倒立的.而實際上，自然界中海面上的蜃景卻看到是正立的，正立蜃景光路圖如圖11所示，正立的蜃景是由于光在擴散層只發生了折射，沒有發生全反射.并且有時還會看到倒立與正立同時出現的奇景.這是由于海面上空氣由于溫度的梯度變化形成了一個空氣層擴散層的梯度變化，但由于地球是球形的，所以空氣層是球面的,并且由于觀察者的角度以及物體的距離和當時空氣層的情形，構成了復雜的蜃景，因此，自然界中的海市蜃景比我們用飽和食鹽水模擬的實驗更為復雜.

圖11 正立蜃景光路圖

3 小結

本文設計了兩個基于光的全反射原理的趣味演示實驗.結構簡單，可操作性強，物理現象明顯，教學效果良好.物理教師要善于利用趣味物理實驗資源,有利于提升學生的知識和技能,讓學生體會科學過程方法,培養學生嚴謹的科學態度和拓展求新的科學精神.