全反射中的几个趣味小魔术

王欢 杨英

摘   要：文章主要运用全反射相关知识，设计并自制几套有关全反射的实验演示装置。在课堂教学中，巧妙运用魔术的形式向学生演示，以新奇、效果明显的实验现象激发学生学习物理的兴趣，从而帮助学生理解课堂所学知识，并学会应用，突破重难点。

关键词：全反射;自制教具;小魔术

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）7-0050-4

《全反射》是高中物理人教版选修《物理3-4》中光学的核心内容之一[1]，学生在本节之前已经学习了光的直线传播、光的反射和光的折射等相关内容，而全反射不仅是学生学习的另一种全新的光学现象，同时也是对前面所学光学现象的巩固和应用。但学生在生活中接触到的涉及全反射知识的现象较少，教材中给出的“全反射棱镜”和“光导纤维”，学生也只是“听其名未见其人”，对于全反射现象学生缺少直观的接触和感性的认识。物理是一门以实验为基础的自然学科，一切理论要建立在实验的基础之上。因此，课堂教学中穿插演示实验，让学生身临其境感受物理现象，在新课教学中是非常重要的。

本文主要针对全反射知识的实际应用，自制几个创新演示教具，以魔术的形式在物理教学过程中展现，以此活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，提高学生自己动手做实验的能力。体现当今社会所要求的“从生活走向物理，从物理走向社会”的思想，以及“物理源于生活，但高于生活”的理念。

1    魔术1“移花接木”

1.1    设计思路及原理

全反射棱镜是截面为等腰直角三角形的透明玻璃砖，所用玻璃的折射率约为1.5，根据公式n=计算可知光从这种玻璃射入空氣时临界角约为42°。当光从直角边垂直射入玻璃时，由于光的入射方向与玻璃面垂直，光线不发生偏折。但在棱镜内部，光从玻璃射向空气的交界面处，入射角（45°）大于临近角（42°），发生全反射，改变了原本光路的传播方向[2]。与平面镜相比，它的反射率高，几乎达到100%，并且反射失真小，因此在生活中广泛应用。

在教材《全反射》这一小节的应用中，提到了全反射棱镜的概念，讲解了全反射棱镜的原理以及在生活中的应用。但学生由于没有亲眼所见，对于书本上知识概念的理解是抽象并且模糊的。因此，笔者以全反射棱镜为题，利用全反射棱镜设计出一套实验装置，通过实验向学生演示有关全反射棱镜的光学现象和其对光学的反射作用。让学生深入感受、理解和应用其中所涉及到的全反射的知识，而不是只停留在理论和课本当中。

设计以全反射棱镜能改变光路传播方向为切入点，通过巧妙设计，运用两个相同的棱镜、红绿色激光笔和亚力克容器等制作出一组实验装置，通过放水与注水的过程，使两条出射光线位置巧妙互换，造成“移花接木”的假象。实验利用的正是全反射的原理，容器放水前，光线从玻璃射入水中时不发生全发射，沿着原来的方向出射，原理如图1所示。而将容器放水后，光线在全反射棱镜中发生全反射，出射的红色光和绿色光互换位置，原理如图2所示。

1.2    所需材料与制作

所需材料：等腰直角三角形棱镜（全反射棱镜）两个（直角边和厚度的尺寸为3 cm×3 cm×3 cm）、红色激光光源、绿色激光光源、透明亚克力板、导管、玻璃胶。

制作方法：

首先，使用透明亚克力板制作一个无盖亚克力容器（15 cm×15 cm×8 cm），容器下方开孔，与排水导管相连接，制作完成后检验其是否漏水。检查无误后，将两块相同的等腰直角三角形棱镜斜边相对，间隔1 cm，用胶水固定在容器正中。将整个容器用玻璃胶固定在亚克力背板上，使其能够直立展示。最后，将红、绿色激光笔分别固定在亚克力背板上，调整激光笔的位置，使激光笔的光线正好能垂直照射在棱镜直角边的中间。制作好后的装置如图3所示。

1.3    演示及效果

将容器中注水，打开激光笔，可以看到：横着红色光入射，横着红色光出射;竖着绿色光入射，竖着绿色光出射，如图4所示。而放水后，出射的红色光和绿色光位置对调，变为横着绿色光出射，竖着红色光出射，如图5所示。

在实际课堂教学中，教师可将亚克力容器设置成黑箱，使学生看不到内部构造，只保留入射光线和出射光线。引导学生猜想黑箱中可能的光路构造，不仅可以锻炼学生对于折射和反射知识的灵活运用能力，同时也能激发学生的好奇心和求知欲。随后再打开黑箱，让学生观察其中的“奥秘”，学生就能很容易地理解“全反射”的概念，掌握本节课的知识。

2    魔术2“川剧变脸”

2.1    设计思路及原理

笔者就潜望镜中的平面镜和全反射棱镜中的三棱镜可以改变光路的传播方向思考，巧妙设计让光线在水和空气中传播时发生全反射现象，同样也能改变光路的传播方向，并且巧妙地融入趣味“变脸”小魔术，增强课堂中与学生的互动性。

基于光线从水中射向空气大于临界角时发生全反射，自制一个正方形水槽，水槽中间留有空隙。当水槽两边注水时，对应的光路图如图6所示。当中间也注满水时，光线不发生全反射，光路图如图7所示。因此，注水前后的过程在图示的位置观察可以看到不同颜色的脸谱。

2.2    所需材料与制作

所需材料：透明亚克力板、A4纸打印的红色脸谱和蓝色脸谱各一张、玻璃胶、双面胶。

制作方法：首先，按需要的尺寸大小切割透明亚克力板，使用玻璃胶将亚克力板粘成40 cm×40 cm×20 cm的水槽，水槽中间使用两块53 cm×20 cm长方形亚克力隔板将水槽分隔为两部分，两块隔板中间间隔2 cm左右宽度。随后注水，检查水槽是否漏水。检查完成后，将提前打印好的红色脸谱和蓝色脸谱裁剪成适当尺寸，分别使用双面胶粘在水槽两边亚克力板的外侧。制作好后整体如图8所示。

2.3    演示及效果

将水槽两侧三角形部分注满水，在上述观察位置观察，会发现看到的是红色脸谱，如图9所示。随后，老师将“魔力水”缓缓倒入水槽中间隔板处，在相同位置观察，会发现红色脸谱慢慢变成蓝色脸谱，注满水后，红色脸谱消失，只能看见蓝色脸谱，如图10所示。

本套实验装置将全反射与四川特色“川剧变脸”巧妙结合起来，制作简单，现象明显，在实际教学过程中使用能起到较好的教学效果，加深学生对知识的理解、迁移与应用。

3    魔术3“数字消失”

3.1    设计思路及原理

在前面初中光学学习中曾做过这样一个实验，将硬币放在装水的碗底，从一些角度观察会发现硬币“消失”了，其中涉及的光学原理是光沿直线传播和光的折射[3]。笔者以此为灵感，思考涉及光的全反射相关知识是否也有类似的实验。通过查阅相关资料和对全反射现象的深入研究，利用透明自封袋设计出一个实验能够达到同样的效果。将写了字的白纸放入透明自封袋，再将透明自封袋放入水中，在正上方观察，会发现字消失了。而在自封袋表面写字，在同样的角度观察，却发现字还能看见。形成对比，引发学生思考。

原理是由于自封袋中存在空气，白纸上的数字的光透过自封袋从空气射向水中时，发生了一次折射，改变了光线的传播路径，光线再经过水射向空气时，发生全反射，折射光消失。因此，在同样的角度观察时，自封袋内部写的字看不到，而表面写的字却能看到。

3.2    所需材料与制作

所需材料：透明自封袋、长方体水槽、白纸、油性笔。

制作方法：将白纸裁剪成合适的尺寸，写上数字，放进其中的一个自封袋中。将同样大小但未写字的白纸放入另一个自封袋中，在另一自封袋表面写上相同的数字。

3.3    演示及效果

先让学生观察两个自封袋，从表面看，发现两个自封袋似乎是“相同”的，如图11所示。然后，将两个自封袋分别放入盛水的水槽中，从正上方观察，会发现其中一个自封袋上的数字消失了，如图12所示。教师随之提问学生其中的原理，学生首先想到的是光的折射，教师引导学生思考、讨论后发现不是光的折射引起的。随后，教师带领学生找出其真正的原因，学习全反射现象。亲身经历了这样的一个实验探究过程，学生能进一步加深对于全反射概念的理解。

4    总结与展望

以上介绍的几组自制教具可以用于演示实验，实验现象明显，能起到非常好的演示效果。

设计并制作这几组实验所用到的原材料在生活中随处可见，制作过程简单，实验成本低，实验过程易于操作。能有效弥补教材中演示实验的不足，可广泛应用于高中物理课堂教学中。

参考文献：

[1]张大昌，彭前程，等.普通高中物理课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2016：5-7.

[2]袁乃素.基本光学元件与“黑匣问题”[J].物理教学探讨，2002，20（9）：22.

[3]张林.初中物理“光的折射”引入情景的设计及其实验装置的改进[J].物理教学，2016，38（5）：41-43.

（栏目编辑    王柏庐）

收稿日期：2019-12-17

基金项目：本文为重庆市高等教育教学改革研究项目“基于TRIZ探究创新理论建设线下金课——‘物理课程与教学论”（193091）的研究成果。

作者简介：王歡（1995-），女，重庆师范大学硕士研究生，研究方向为物理与课程教学论。

通讯作者：杨英（1975-），女，副教授，硕士研究生导师，长期从事物理学科课程与教学论方向的研究。