光和影

李佩宁

光在传播过程中，遇到不透明的物体时便被挡住一部分，于是在地上形成一个一部分光不能到达的比较暗的区域，这便是影子。当光源与光屏的距离不变时，物体离光源越近，所形成影子的面积就越大一些，反之，所形成影子的面积就越小一些。

光与影在生活中无处不在。动画片里会有各种影子；有踩影子、做手影游戏；甚至天空中的弯月，也是地球遮挡了太阳光线所致。对于学生而言，控制影子是一件很有意思的事情。

一、课程重点

本课程旨在让学生观察光和影的变化现象，同时学习物理知识，并使用数学工具对物理量和物理规律进行设想、测定、衡量和预测。

【涉及领域】光学、数学

【建议年级】小学低年级

【建议时间】110分钟

二、课程任务

学生首先直观感受光和影的变化，之后对长度、角度、高度等物理量进行精确测量和记录，然后根据需要的结果猜测变量的情况。通过完成给定的任务，对角度、长度、高度、面积等综合运用有基本认识，提升总结归纳能力。

三、课程步骤

1.导入：身边的光和影现象（20分钟）

第一步：说说与影子有关的事例。可以引导学生描述自己对于影子的认识；可以给学生普及一些有关日晷和冬夏太阳高度的知识；可以让学生说说踩影子游戏。比如，在一天中，被太阳照射到的物体投下的影子在不断地改变着。一是影子的长短在改变。早晨的影子最长，随后逐渐变短，一过中午又重新变长。二是影子的方向在改变。在北半球，早晨的影子在西方，中午的影子在北方，傍晚的影子在东方。根据影子的长度或方向都可以计时，但根据影子的方向来计时更方便一些，故通常都是以影子的方位计时。 随着时间推移，晷针上的影子慢慢地由西向东移动。移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。我们熟知的踩影子游戏也有根据时间的难易之分，在中午或者阴天情况下的踩影子游戏较难，而晴朗天气下早晨和傍晚时候则最简单。

第二步：头脑风暴。让学生进行头脑风暴，分组使用工作单汇总教室、家里、校园中有哪些光影的现象和变化（见图1）。教师可以让各小组依次向全班汇报本组头脑风暴的结果，完成课程的导入。比较容易发现的有婆娑的树影，窗台延伸部分形成的影子等。教室中一般都有多个灯作为黑暗时候的光源，移开桌子，让学生选出代表站在中央，拉上窗帘，对这位同学站位不同情况下开灯后形成的影子进行观察或者描述，小组可以进行简单的讨论。

第三步：进阶提问。教师可以根据学生的表现，向学生提出几个进阶的问题，让学生思考并回答。问题示例如下。

（1）谁能总结一下大家所找到现象的原因？

（2）光和影现象中，有哪些导致影子变化的变量？

（3）对这些变量如何进行人为控制？

需要特别说明的是，变量是指那些可以人为控制和改变的因素。由于年龄所限，这里不要求学生能够准确说出变量名称，如光照角度、光源大小、被射物体、本影等，但是要求学生能提出有关这些概念的部分特点的描述，如学生指出光从哪儿射过来很重要，这是个可以控制和改变的量。

2.实验与记录（20分钟）

教师给出工作单（见表1），以角度、光源距离、光屏距离为变量，每个变量变化3次，让学生测定和记录不同变量变化下的影子长度数据。材料：米尺、手电筒、10厘米长的木棍、白纸（作为光屏）、两种直角三角板。

3.宣布任务及评价量规（10分钟）

【宣布任务】基本任务：用一个光源同时制作两个同学的影子，一个长2米，另一个长50厘米。材料：米尺、调光手电筒（即可以调整光扩散角的手电筒）。

挑战任务：在墙上制作一个面积约为100平方厘米的树葉的影子（如果有足够空间的话，可以制作25平方分米的手掌的影子）。材料：手电筒、光滑的墙面、树叶、暗室。

要求每组学生都尝试任务，在空白纸上画出原理图，并用讲解的形式向全班进行基本任务和挑战任务的展示。宣布任务后，呈现评价量规（见表2）。

4.任务的执行与提示（25分钟）

正式执行影子制作任务。教师可以提示学生以下内容。

（1）关于面积，如果没学过面积的概念，可以尝试让学生进行简化的理解，如：一根尺子的长短可以衡量，那么一张桌子的大小也是可以衡量的，衡量的方法就是通过比较面积的大小。

（2）标准图形的面积容易计算，但不规则图形的面积如何计算呢？可以用数格子的方法，这样即便低年级的学生不了解面积的概念，也能很好地比较与计算面积的大小。

（3）教师需要事先制作网格，可以利用教室的墙面，以1厘米为边长（选择测量树叶的影子时，以1厘米为单位边长；若选择测量手掌的影子时，以5厘米或1分米为单位边长），制作正方形网格，让学生将手掌的影子投射到墙面上，然后数格子。

（4）有的格子会被阴影填满，有的填充了大部分，有的只填充了少部分。这时需要教师确定计算方式，可以进行简便的计算，让学生只数被阴影填满的格子和填充了大部分的格子，而填充了少部分的格子则忽略不计。

（5）可以让学生先预测光源、手掌、墙面之间的距离，然后再实际操作验证。

（6）在学生用手掌投影后，为了节省时间，可以拍照，让学生慢慢数。

5.反思与总结（15分钟）

教师可以要求学生举手回答以下问题，完成本环节。

（1）你们组在解决问题过程中谁的贡献最大，为什么？

（2）你们组成功完成了任务，能详细介绍一下设计原理么？

（3）你们组有没有从其他组借鉴一些做法？借鉴了什么？为什么？

（4）你们组没有完成挑战的原因是什么？如果让你们再做一次，会有哪些改变？

（5）在地球上的你能否向月亮上投射一个巨大的影子，你需要什么材料？

对于问题（5），教师应当做一些前期的物理知识储备。首先，强烈的阳光会稀释月球上的影子，因此选择时机最好是在即将进入新月的时候，此时月球的正面是完全黑暗的。其次，要想向月球投射影子，需要一个很大的被照射的物体，这个物体不能透光，最好是在大气层以外，以减少大气层对于光的散射。最后，还需要一个功率极强的照射灯作为光源，光源必须足够大、足够亮。另外，教师应提醒学生，若以太阳作为光源的话，月全食就是地球在月球上投影的结果。

（责任编辑 张慧籽）