利用趣味实验创设物理教学情境——以“全反射”为例

陈旭燕 程敏熙

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

中学物理教材中有很多实验都与日常生活实际密切相关，教师可以把物理知识点通过趣味物理实验的形式演示出来,创设生动活泼的课堂教学情境,唤醒学生的求知欲,引导学生观察和分析物理现象,自主地获得生动而具体的感性知识,并由此概括抽象出其中的理性认识.通过自主探究过程，学生能更好地理解和掌握物理概念和规律，把枯燥的课堂变为学生喜闻乐见、人人参与的教学活动.创设有效的课堂教学情境，使学生感到自己所学知识具有实用性,培养学生学习物理的兴趣,达到理论的内化和情感的升华.以下以“全反射”这节课为例，介绍作者利用趣味实验导入新课在物理教学中的应用实践.

1 神奇的“变色章鱼”魔术

全反射棱镜是全反射的一个重要应用，是学习全反射的一个重点知识，同时在我们的日常生活中有广泛的应用，例如利用全反射棱镜制成望远镜等等.由于教材对全反射棱镜这个知识点所涉及的实验不多，故学生对全反射棱镜及其应用掌握得不够深刻，容易让学生误认为光只要射入全反射棱镜就能发生全反射，而与介质无关这样的误区.为此，作者设计了一个“章鱼变色魔术”实验来帮助学生对全反射棱镜有一个更深刻的认识，同时激发学生学习的兴趣，变色的过程生动有趣，学生迫不及待地想要动脑、动手来揭开“变色章鱼魔术”的秘密.

1.1 实验装置构造

利用透明有机玻璃制成一个无盖的立方体容器，沿立方体的对角线放置两块互相平行的有机玻璃板，将容器分成了两个完全一样的等腰直角三角形容器，平面镜一端靠着立方体的右上方的顶点，另一端的放置使得平面镜与对角线的两块隔板互相平行，如图1、图2所示.

图1 “变色章鱼”装置俯视实物图

图2 “变色章鱼”装置俯视示意图

1.2 实验原理及现象

当两块等腰直角三角形容器加水而隔层不加水时便形成了两块全反射棱镜.在左侧贴上红章鱼，观看位置的对面贴上蓝章鱼的图片，红章鱼图片漫反射发出的光经左棱镜发生全反射后出现在观看位置的左侧，蓝章鱼图片漫反射发出的光经右棱镜全反射又经平面镜反射出现在观看位置的右侧，光路图如图3所示，实景图如图4所示.

图3 隔层不加水的光路图

图4 隔层不加水的实物图

图5 隔层加水的光路图

当往隔层中加水时，就无法形成全反射棱镜，红章鱼图片漫反射发出的光经水和有机玻璃折射，再经平面镜反射后，出现在观看位置的右侧，蓝章鱼图片漫反射发出的光经水和有机玻璃折射后直接出现在左侧，光路图如图5所示，实物图如图6所示.

图6 隔层加水的实物图

实验过程中，实验现象引入了新课的学习，有助于教师把全反射的条件、现象、规律等讲授清楚，学生的印象也非常深刻.通过注射器缓慢往立方体容器对角线隔层注水时，章鱼颜色就成了一个渐变的过程，最后，观看位置的左侧就由红章鱼变成蓝章鱼，右侧由蓝章鱼变成红章鱼.如图7所示，过程非常吸引人心，生动有趣，具有魔术般的效果，极大地激发了学生的学习兴趣.

图7 通过注射器往隔层注水的渐变现象

2 “海市蜃楼”模拟实验

“海市蜃楼”是自然界的奇观，可遇而不可求，许多人只有在电视、书本等渠道中了解到，未亲眼见到过.如果将“海市蜃楼”的模拟实验带到教室里来作为“全反射”新课的情境导入，让学生们兴致盎然地观看“蜃景”，为了揭开“蜃景”的神秘面纱，借此和学生一起走进“全反射”的课堂教学中.

2.1 实验装置制备过程

往玻璃缸容器(长26 cm，宽26 cm，高30 cm)中加入约占容器体积1/3的水.

加入适量的食盐，直至溶液达到饱和，不再继续溶解食盐为止，则制成了饱和食盐水.

制作一个跟玻璃容器等长等宽的长方形塑料泡沫，上面用细尖的螺丝刀沿长和宽钻上一排排大小相同，间距均匀的小孔，并将其放入玻璃缸中，漂浮在水的上表面.

取一张较大的不易破裂的白纸，用浸上水的刷子在纸的表面轻轻地来回刷动，使得纸的表面蘸上水，在刷动的过程中注意保持纸面的平整.

把蘸上薄薄一层水的白纸轻轻地覆盖在泡沫上，白纸的四周贴在玻璃缸壁，用手轻拍，使其紧贴住缸壁.

利用漏斗往玻璃缸内缓慢地加入水，使水慢慢地渗入饱和溶液中，不断地加水，当液面高度达到容器体积的2/3则可停止注水，在加水的过程中，速度要缓慢，让水通过白纸和泡沫慢慢地进入，与饱和食盐水轻轻地缓慢相溶，则形成了一个扩散层，整个加水的过程中注意不可使白纸破裂.

通过以上步骤就制成了一个扩散层，待溶液保持稳定后，则可取掉白纸和泡沫，在容器外侧下方贴一张图片(例如一朵花)，则在扩散层就可以看到“蜃景”了.

可在玻璃缸下放一个转动的转盘，这样可以通过旋转转盘，使得全班同学包括在最左和最右的角落同学都能看到现象，用一根激光笔入射扩散层，则可看到光线发生了弯曲.如图8、图9前后对比图所示.

图8 形成扩散层前的现象

图9 形成扩散层后的“蜃景”

2.2 实验原理

饱和食盐水的密度和折射率都比水大，当清水注入饱和食盐水的上层，就会形成一个扩散层，这个扩散层的折射率成梯度变化，从下往上折射率越来越小.这样就模拟了海面上的空气因温度梯度变化而使得空气层的折射率发生梯度变化的情况.物体因漫反射发出的光经过扩散层时，会不断地发生折射.当入射角越来越大，大于临界角时，满足了全反射发生的两个条件，在最高点发生全反射.接着返回扩散层不断地折射回去，最后进入眼睛，眼睛看到的认为光是沿直线传播，逆着入眼光线，就看到了倒立的“蜃景”，光路图如图10所示.

图10 揭秘海市蜃景光路图

2.3 蜃景的倒立、正立成因

由前文中所看到的“蜃景”倒立、激光笔的光射入扩散层发生弯曲的现象和对光路图的分析可知，因为在最高点发生了全反射，所以导致蜃景是倒立的.而实际上，自然界中海面上的蜃景却看到是正立的，正立蜃景光路图如图11所示，正立的蜃景是由于光在扩散层只发生了折射，没有发生全反射.并且有时还会看到倒立与正立同时出现的奇景.这是由于海面上空气由于温度的梯度变化形成了一个空气层扩散层的梯度变化，但由于地球是球形的，所以空气层是球面的,并且由于观察者的角度以及物体的距离和当时空气层的情形，构成了复杂的蜃景，因此，自然界中的海市蜃景比我们用饱和食盐水模拟的实验更为复杂.

图11 正立蜃景光路图

3 小结

本文设计了两个基于光的全反射原理的趣味演示实验.结构简单，可操作性强，物理现象明显，教学效果良好.物理教师要善于利用趣味物理实验资源,有利于提升学生的知识和技能,让学生体会科学过程方法,培养学生严谨的科学态度和拓展求新的科学精神.