关于“光的折射”实验的改进方案

王红祥

(镇江市新区大港中学北校区 江苏 镇江 212132)

苏科版八年级物理第四章第一节“光的折射”一课中的探究活动“观察光从空气射入水中时的折射情况”原文如下.

“如图4-2(现标为图1)所示，一束激光射到空水槽的O点，先做个标记，然后向水槽内注水，注意观察：

水槽底部光斑的位置是否发生变化？

光线由空气斜射入水中时，方向是否发生偏折？

从空气中入射的光线与进入水中的光线是否在一个平面内？

图1

【技巧】为了便于观察光束的路径，可在水面上方喷些烟雾和在水中滴几滴牛奶.借助一块白色的塑料板，利用漫反射现象，可以清楚地观察到入射光束和折射光束.”

1 教材实验的设计思路及其弊端

因为激光在均匀的空气中沿直线传播，人眼在光路的侧面看时，眼睛不在光的传播路线上；所以就没有激光进入人的眼睛，人也就无法看到激光.教材通过“技巧”提示利用光的散射(在水面上喷些烟雾)、丁达尔(J.Jyndall)效应即悬浮微粒的散射效应(在水中滴几滴牛奶)和白色塑料板的漫反射现象将部分激光从光的路径上反射到侧面来，从而显示出光束的路径.

显然，这一实验方案单从理论层面上看，可以说是无懈可击的.然而，在实际的实验操作中却很难达到预期的实验效果.究其原因，笔者认为其弊端有以下三点.

(1)该演示实验可观性不强.与教材相配套的物理教学参考书中也坦承，其可见度不大，建议让学生动手完成该实验.作为一个演示实验，最重要的是其实验效果是否可观，否则这样的演示实验就毫无意义.而教参所建议的让学生动手完成该实验，笔者认为更不可行.因为该实验的可观性不强，所以也只有亲身体验这一实验的少许几个同学能隐隐约约观察到一些实验现象.为了收到应有的实验效果，必然要进行分组实验.这样，首先就面临着实验器材准备的难题，即要准备几十个大水槽和白色塑料板等器材.其次，该实验的难度太大，即便是学有专长的物理教师也未必每次都能做出理想的实验效果，更何况是毫无经验的初学者.

(2)该演示的难度太大，无法确保每次实验都能获得成功.该实验的难度之大表现在三方面.一是实验所需的烟雾制取、收集和实验现象稳定地呈现.众所周知，烟为悬浮在空气中的细小固体颗粒，容易飘散，难以收集，很难使烟稳定地笼罩在水面不飘散开来.这样，必然导致实验现象转瞬即逝，难以捕捉.二是对在水中滴入牛奶数量的掌控.为了看清激光在水中的传播路径，对滴入水中的牛奶数量有着严格的要求.少了，会使激光路径与周围的水对比度不够而看不清;多了，又会使牛奶遮挡住射出水槽的激光.三是对水槽的透明度要求陷入了两难境地.当我们从侧面观察激光在水中路径时要求水槽的侧壁有良好的透光度，而当俯视水槽底部的光斑时，就会发现水槽的底部没有光斑.原因是水槽底部也是透明的，激光在射到底部时绝大多数光线都透射出去了，只有少部分光发生了镜面反射，人眼如果不在反射光路的方向上根本无法看到所谓的“光斑”.解决这一难题的办法只有把水槽的底部磨砂，使激光在其上发生漫反射.这样，才能真正看到光斑.

(3)该演示实验所需的实验器材多而大，实验步骤比较繁杂，耗时太多，影响课堂教学效率.为完成这一实验，所需要的大型实验器材包括大水槽、大的白色塑料板、大量的水和铁架台(用于固定激光电筒)等；小型器材包括激光电筒、牛奶、胶头滴管、烟和烟的收集装置等.由于器材众多，步骤繁难，耗费时间，其直接影响到课堂教学效率.不符合用少而简单的实验器材，通过简明的实验操作，获得最直观、明显的实验效果的演示实验教学理念.

2 实验方案的引入

笔者首先通过多媒体展示一幅带有倒影的拱桥图片，启发学生思考：“为什么桥和倒影的颜色深浅不同？”通过引导，帮助学生理解桥上的光线射到水面上时，只有一部分光经过反射进入了人的眼睛，还有一部分光进入了水中.接着复习光的直线传播知识，并提问：“光在空气和水中都是怎样传播的？”学生回答：“都是沿直线传播的.”教师再次追问：“那么，光从空气斜射向水面时，在两种物质的分界面上是否也是沿直线传播的呢？可能有什么情况？”.让学生猜想并试着画出光在水中的传播情况.其大致情况不外乎如图2所示的a，b，c三种情况.经过猜想过程，可激发学生希望通过实验来验证自己猜想的迫切心理，为下一步推理性实验打下伏笔.

图2

3 对教材实验的改进方案

针对教材实验中的诸多弊端，笔者在实施这一内容的教学时，作了如下一些有益的尝试.

实验器材：一个铁架台，一只激光电筒，一只一次性纸杯和半杯水.

图3

实验过程：将上述实验器材如图3组装，用铁架台上自带的铁夹夹紧激光电筒的掀动按钮，使激光电筒持续不断地发出激光.调整激光电筒的高度和角度，使激光电筒所发出的光恰好通过一次性纸杯的杯口照在纸杯的杯壁上.因为激光较自然光的穿透能力强，所以激光电筒发出的激光能穿透纸杯的杯壁，并通过漫反射在纸杯的外壁形成一非常醒目的红色光斑(同样的激光如果射到透明玻璃杯上，则几乎看不到光斑，原因是大部分激光都穿过玻璃杯集中朝一个方向射去，如果眼睛不在这个方向上就无法看到光斑).让这个红斑正对学生，以提高实验现象的可观性.用笔在纸杯的外壁作一个标记，标出原光斑的位置.然后向纸杯内逐步加水，并记下相应光斑的位置.最后，将光斑的起始位置和终了位置之间的所有标记连成一条线，即光斑的移动轨迹.通过光斑不断向下移动，说明了光从空气斜射入水中时传播方向发生了向下靠近法线偏折的结论.

参考文献

1 苏科版初中物理教材编写组.九年义务教育物理八年级上册.南京：江苏科学技术出版社，2007.84

2 苏科版初中物理教材编写组.九年义务教育物理八年级上册·物理教师教学用书.南京：江苏科学技术出版社，2007.113